Mengapa produksi panas meningkat karena clockrate CPU meningkat?

19

Seluruh perdebatan multi-inti membuat saya berpikir.

Jauh lebih mudah untuk menghasilkan dua inti (dalam satu paket) kemudian mempercepat satu inti dengan faktor dua. Kenapa ini? Saya googled sedikit, tetapi menemukan jawaban yang sangat tidak tepat dari papan pencatatan jam kerja yang tidak menjelaskan Fisika yang mendasarinya.

Tegangan tampaknya memiliki dampak paling besar (kuadratik), tetapi apakah saya perlu menjalankan CPU pada tegangan lebih tinggi jika saya ingin clock rate yang lebih cepat? Saya juga ingin tahu mengapa tepatnya (dan berapa banyak) panas yang dihasilkan oleh sirkuit semikonduktor ketika beroperasi pada kecepatan clock tertentu.

cpu-architecture Nils
sumber
ada debat multi-inti? Saya pikir hukum murphy habis dan orang-orang yang lengkung tidak bisa menemukan hal lain untuk dilakukan.
7
Hukum Moore. Hukum Murphy hanya akan habis pada saat yang paling buruk. :-)
O. Jones
Ada unsur kebenaran dalam komentar Gary. Pada titik ini, jumlah transistor cukup tinggi sehingga untuk CPU yang lebih besar desainer dapat meletakkan segala sesuatunya pada mati alih-alih harus memilih, dan menambahkan cache pada akhirnya semakin menurun. Keuntungan 10-20% dengan arsitektur baru menunjukkan bahwa desainer masih mengelola untuk mengubah kinerja tetapi mungkin tidak ada apa pun yang revolusioner yang dapat diterapkan jika ada lebih banyak transistor yang tersedia untuk dibelanjakan.
Dan Neely

Jawaban:

35

Setiap kali jam berdetak Anda sedang mengisi atau mengeluarkan sekelompok kapasitor. Energi untuk mengisi kapasitor adalah:

E = 1/2*C*V^2

Di mana Ckapasitansi dan Vtegangan yang dibebankan.

Jika frekuensi Anda f[Hz], maka Anda memiliki fsiklus per detik, dan kekuatan Anda adalah:

P = f*E = 1/2*C*V^2*f

Itu sebabnya daya naik secara linear dengan frekuensi.

Anda dapat melihat bahwa itu naik secara kuadratik dengan tegangan. Karena itu, Anda selalu ingin menjalankan pada tegangan serendah mungkin. Namun, jika Anda ingin menaikkan frekuensi, Anda juga harus menaikkan voltase, karena frekuensi yang lebih tinggi memerlukan voltase operasi yang lebih tinggi, sehingga voltase naik secara linear dengan frekuensi.

Untuk alasan ini, kekuatannya naik seperti f^3(atau suka V^3).

Sekarang, ketika Anda meningkatkan jumlah core, Anda pada dasarnya meningkatkan kapasitansi C. Ini tidak tergantung pada tegangan dan frekuensi, sehingga daya naik secara linear C. Itulah mengapa lebih efisien daya untuk meningkatkan jumlah inti daripada meningkatkan frekuensi.

Mengapa Anda perlu menambah tegangan untuk menambah frekuensi? Nah, tegangan kapasitor berubah sesuai dengan:

dV/dt = I/C

dimana Iarusnya Jadi, semakin tinggi arus, semakin cepat Anda dapat mengisi kapasitansi gerbang transistor ke tegangan "on" -nya (tegangan "on" tidak tergantung pada tegangan operasi), dan semakin cepat Anda dapat mengaktifkan transistor. Arus naik secara linier dengan tegangan operasi. Itu sebabnya Anda perlu menambah tegangan untuk menambah frekuensi.

Nathan Fellman
sumber
7
Transistor memiliki kapasitansi dinamis. Untuk "membuka" transistor, Anda perlu mengisi kapasitansi gerbang.
Nathan Fellman
1
Saya bahkan tidak mengalami kebocoran, tetapi itu bekerja hampir sama. Ini lebih seperti semacam resistor, dan kurang seperti kapasitor, sehingga mengkonsumsi daya berdasarkan v ^ 2 / r pada frekuensi yang sama f.
Nathan Fellman
1
Anda salah. Ini 100% tentang kapasitansi. Kapasitansi diisi dan dilepaskan melalui resistansi sumber-drain, yang jelas bukan kebocoran, tetapi menghabiskan daya yang Anda habiskan untuk mengisi dan mengeluarkan kapasitor. Juga, bukan berarti ini bukan kapasitor ideal dengan cara apa pun. Pertama-tama mereka kapasitor dunia nyata, kedua dari mereka adalah kapasitor MOS yang perilakunya sangat berbeda dari kapasitor biasa, jika saja karena kapasitansi mereka tergantung pada tegangan arus.
Nathan Fellman
3
ok ... kapasitansi tidak ada hubungannya dengan konversi panas, tetapi itu ada hubungannya dengan konsumsi energi, karena Anda perlu berinvestasi 1 / 2CV ^ 2 untuk mengisi kapasitor. Energi itu berasal dari beberapa sumber daya, jadi setiap kali Anda mengisi kapasitor, Anda menghabiskan 1 / 2CV ^ 2 dari sumber itu. Tidak ada yang mencegah sumber itu memanas. The kapasitansi per-se bukan untuk menyalahkan. Lingkungan di mana kapasitor berada adalah untuk disalahkan.
Nathan Fellman
1
@Gary Anda menyalahkan kapasitansi karena timbangan panas dengan kapasitansi. Katakanlah Anda perlu menaikkan tegangan pada transistor dari 0,2V ke 0,75V dalam sepersejuta detik dari sumber 0,9V. Kekuatan yang Anda gunakan untuk melakukan itu tergantung secara linear pada resistansi yang perlu dilewati saat ini dan kapasitansi gerbang. Jika kapasitansinya nol, tidak ada arus yang perlu mengalir melalui resistansi.
David Schwartz
7

Pada dasarnya sangat:

  • Transistor beralih lebih cepat ketika Anda menerapkan tegangan lebih ke sana.
  • IC modern menghabiskan sebagian besar daya saat beralih dari satu kondisi ke kondisi lain (pada tick jam), tetapi tidak mengkonsumsi daya untuk tetap dalam kondisi yang sama (well, ada kebocoran, jadi tidak ada daya) sehingga semakin cepat Anda beralih, semakin banyak per detik yang Anda miliki, semakin banyak daya yang Anda konsumsi.

Buku yang sangat bagus tentang semua detail arsitektur prosesor: Organisasi dan desain komputer oleh David A. Patterson, John L. Hennessy.

Guillaume
sumber
Itu buku klasik.
Apakah itu gubernur Negara Bagian New York?
Nathan Fellman
5

Setiap kali transistor berganti status, arus dihabiskan. Frekuensi yang lebih tinggi berarti pergantian yang lebih cepat, lebih banyak arus yang terbuang. Dan impedansi dari segala sesuatu mengubahnya menjadi panas. P = I ^ 2 * R dan semua itu. Dan P adalah V ^ 2 / R. Namun dalam kasus ini, Anda benar-benar ingin rata-rata V dan saya dari waktu ke waktu dapat menghitung, dan itu akan kuadratik untuk tegangan dan arus keduanya.

gtrak
sumber
Kebocoran ini kurang signifikan dibandingkan dengan switching power yang sebenarnya.
Nathan Fellman
maaf, saya akan mengubah 'bocor' menjadi 'terbuang'
"Dan impedansi dari segala sesuatu mengubahnya menjadi panas" - sebenarnya, bukan impedans. Hanya perlawanannya. Bagian imajiner dari impedansi tidak dapat dikonversi menjadi panas.
Nathan Fellman
2

1) dua inti vs mempercepat satu inti
Untuk mempercepat satu inti Anda memerlukan teknologi baru untuk mempercepat perpindahan transistor dari satu kondisi ke kondisi lainnya. Untuk menambahkan inti lain, Anda hanya perlu lebih banyak transistor yang sama.

2) Panas
Disipasi daya dalam bentuk panas. Daya = Tegangan * Arus. Tegangan = Resistace * Arus. Daya = Tegangan ^ 2 / Perlawanan. Jadi panas yang dikeluarkan sebanding dengan tegangan kuadrat.

Robert
sumber
Ya saya tahu bahwa panas meningkat kuadratik dengan tegangan, apa yang tidak saya dapatkan adalah apa pengaruh tegangan terhadap kecepatan clock? Apakah saya perlu tegangan lebih tinggi untuk kecepatan clock yang lebih tinggi?
Saya tahu PIC Microchip memiliki grafik untuk Tegangan vs Frekuensi. Ada tegangan minimum yang akan dijalankan chip pada frekuensi rendah. Ini skala linier ke tegangan maksimum dan frekuensi maksimum.
Robert
2
@Nils, tegangan yang lebih tinggi memberikan transisi dan status yang lebih tajam dan kurang ambigu, dan membuatnya lebih mungkin 1 akan diartikan sebagai 1 dan bukan 0. Dan frekuensi yang lebih tinggi membuat transisi kurang persegi-ish. Ingat gelombang persegi tidak ada.
Maksud Anda lebih banyak persegi
Nathan Fellman
1

Nah, dalam daya listrik, ada dua jenis daya, daya reaktif dan daya nyata. Beberapa orang menyebut daya dinamis daya reaktif. Daya reaktif tidak pernah dikonsumsi atau hilang. Sebagai contoh, jika kapasitor ideal dihubungkan ke sumber tegangan AC oleh kabel lossless ideal, kapasitor akan mengisi dan melepaskan, mengambil energi dari generator dalam satu siklus, dan mengembalikan energi ke generator dalam siklus berikutnya. Kerugian bersihnya nol.

Namun, jika kabel nonideal dan resistif, maka energi dihamburkan dalam kabel selama pengisian dan pemakaian kapasitor. Kekuatan yang hilang ini adalah kehilangan daya yang nyata, dan tidak dapat dipulihkan. Seiring laju jam naik, laju pengisian dan pemakaian meningkat, meningkatkan daya yang hilang di kabel.

Gerbang transistor berperilaku seperti kapasitor. Ketika clock rate naik, lebih banyak daya reaktif dikirim ke kapasitor. Fraksi yang hilang di kabel resistif juga naik.

Weng Cho
sumber
0

Satu hal yang tidak disebutkan sejauh ini - chip menjadi lebih cepat dan proses litografi untuk membuatnya mendapatkan komponen yang lebih kecil. Mereka menjadi sangat kecil sehingga mereka memiliki beberapa atom dalam beberapa kasus. Ada kebocoran arus signifikan sekarang, yang hilang sebagai panas pada umumnya.

Homolka yang kaya
sumber
0

Untuk mengubah keadaan suatu sirkuit dengan cepat, dibutuhkan lebih banyak arus daripada beralih dengan lambat. Untuk mencapai arus itu, Anda memerlukan tegangan yang lebih tinggi dan / atau komponen yang lebih besar, lebih haus daya. Dan, tentu saja, komponen yang lebih besar membutuhkan lebih banyak arus drive, yang menyebabkan efek bola salju.

(Menariknya, ada artikel di Scientific American terbaru (Juli 2011) yang membahas topik ini untuk otak manusia. Prinsip yang sama, dan satu cara otak manusia berkekuatan lebih besar adalah mempartisi otak ke dalam sub-prosesor yang terpisah, boleh dikatakan.)

Daniel R Hicks
sumber