Почему процессор нагревается?

16

Я хотел бы понять, как процесс вычисления заставляет процессор нагреваться. Я понимаю, что тепло вырабатывается транзисторами.

Как транзисторы точно выделяют тепло?
Является ли корреляция между количеством чипов и выделяемым теплом линейной?
Оптимизируют ли производители процессоров положение отдельных транзисторов, чтобы минимизировать выделяемое тепло?

— синтагма
источник

В случае переключения нагрев и, следовательно, тактовая частота также имеют прямое отношение к выделяемому теплу.

— нидхин

5

На практике настоящие микросхемы нагреваются из-за движения электричества через сопротивляющий проводник, как отмечено в ответах. Но если этот предмет вас интересует, вы можете прочитать о том, как само создание двоичной информации обязательно требует отработанного тепла; Хорошее эссе, не требующее большого количества физики, можно найти здесь: plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Эрик Липперт,

У меня нет математики для правильного ответа (и уточнения по поводу комментария Эрика), но этот вопрос имеет значение для квантовых вычислений и обратимых элементов . Существует «kT ln (2) энергии, рассеиваемой за одну необратимую битовую операцию». Часть принципа Ландауэра . Если у вас есть (A & B), это имеет два входа и один выход. Эта информация, которая теряется в этом процессе, должна куда-то уходить и превращаться в энтропию (тепло) ... при условии, что я поняла это достаточно, чтобы описать это.

25

Транзистор (FET в современных микросхемах) никогда не переключается мгновенно с полного выключения на полное включение. Есть время, когда он включается или выключается, когда FET действует как резистор (даже если он полностью включен, он все еще имеет сопротивление).

$P=I^2R$ $P=\frac{V^2}{R}$

Чем больше транзисторы переключаются, тем больше времени они проводят в этом резистивном состоянии, тем больше тепла они генерируют. Таким образом, количество выделяемого тепла может быть прямо пропорционально количеству транзисторов, но это также зависит от того, какие транзисторы делают, что и когда, и это зависит от того, что чипу предписано делать.

Да, производители могут размещать определенные блоки своей конструкции (не отдельные транзисторы, а блоки, которые образуют полноценную функцию) в определенных областях в зависимости от тепла, которое может генерировать блок - либо для размещения его в месте с лучшей тепловой связью, либо для размещения это далеко от другого блока, который может генерировать тепло. Они также должны учитывать распределение мощности внутри чипа, поэтому произвольное размещение блоков не всегда возможно, поэтому им приходится идти на компромисс.

— Majenko
источник

Существует множество факторов, влияющих на выработку тепла в процессоре. Тот факт, что в этом ответе не упоминается ваш любимый, не означает, что он неправильный. Я предлагаю вместо того, чтобы отказаться от абсолютно правильных ответов, попробуйте написать свой собственный ответ. Если он будет лучше, чем этот, тогда сообщество примет решение и получит больше голосов.

— Majenko

1

Так что смещайте это, давая людям лучший ответ, чтобы поставить свои голоса вместо моих.

— Majenko

Я буду, но у меня не будет времени на некоторое время (дней). На данный момент я согласен, что тепло генерируется резистивными потерями. Тем не менее, я не думаю, что ваш ответ дает очень глубокое понимание.

— HKOB

21

Весь ток, протекающий во всем, что не является сверхпроводником, генерирует тепло. В чипах это в основном течет в алюминиевых «металлических» слоях (почему не медь? Оказывается, химическое взаимодействие с другими частями кремния).

Что вызывает ток течь? Каждый раз, когда транзистор меняет состояние, его можно смоделировать как конденсатор (затвор FET управляемого логического элемента плюс емкость паразитного провода), заряжающий / разряжающий через провод и выходной FET предыдущего затвора. Это «переключающая» или «динамическая» мощность. Он пропорционален скорости переключения и квадрату напряжения; следовательно, привод от 5 В до 3,3 В до 1,8 В для повышения эффективности.

Изоляторы не идеальны, а в некоторых местах очень тонкие. Транзисторы не могут быть полностью выключены. Если полевой транзистор имеет сопротивление отключения мегаом, а вы подключаете миллион из них параллельно, это выглядит как резистор на 1 Ом. Это «утечка» мощности. Это пропорционально количеству транзисторов.

Я провел десятилетие, работая в стартапе по оптимизации энергопотребления.

— pjc50
источник

Современные микропроцессоры высокопроизводительных фактически делают использование медных межсоединений, с тонкими слоями других металлов , чтобы предотвратить меди из реакции с кремнием. Алюминий все еще используется на менее сложных и более крупных процессорах, хотя с ним работать намного сложнее.

— Хоббс

0

1) Каждый раз, когда возникает ток, тепло генерируется при столкновении электронов. 2) Да, как правило, корреляция является линейной. 3) Маловероятно, что производители ЦП оптимизируют положение отдельных транзисторов, чтобы минимизировать выделяемое тепло (все они находятся внутри одного корпуса).
Когда процессор «простаивает», хотя он использует минимальное количество тока, он выделяет тепло. Когда процессор начинает «обрабатывать» информацию, отдельные транзисторы переключаются в состояния. Это переключение также генерирует тепло. Кроме того, частота переключения влияет на скорость тепловыделения, чем выше частота, тем выше скорость тепловыделения. Поскольку теплоотводящая способность чипа фиксирована, он может перегреться, если он работает на более высокой частоте, чем он был предназначен для работы.

— Guill
источник

0

просто мы знаем, что согласно закону Джоуля, что всякий раз, когда электрон протекает через проводник, тепло выделяется благодаря сопротивлению материала, поскольку каждый проводник имеет некоторое сопротивление.

— Абхай
источник