Зачем процессорам нужно столько тока?

Я знаю, что простой процессор (например, Intel или AMD) может потреблять 45–140 Вт, и что многие процессоры работают с напряжением 1,2 В, 1,25 В и т. Д.

Итак, предполагая, что процессор работает с напряжением 1,25 В и имеет TDP 80 Вт ... он использует 64 А (много ампер).

1. Почему ЦП требует более 1 А в своей цепи (при условии транзисторов FinFET)? Я знаю, что большую часть времени процессор работает на холостом ходу, и все 60 A являются «импульсами», потому что у процессора есть часы, но почему процессор не может работать при 1 В и 1 А?

2. Маленький и быстрый транзистор FinFET, например: 14 нм, работающий на частоте 3,0 ГГц, сколько ампер (приблизительно) нужно?

3. Вызывает ли более высокий ток более быстрое включение и / или выключение транзисторов?

1. Процессоры не являются «простыми» в любом воображении. Потому что они имеют несколько миллиардов транзисторов, каждый из которых будет иметь небольшую утечку на холостом ходу и должен заряжать и разряжать затвор и емкость межсоединения в других транзисторах при переключении. Да, каждый из них потребляет небольшой ток, но если вы умножите его на количество транзисторов, вы получите удивительно большое количество. 64А - это уже средний ток ... при переключении транзисторы могут потреблять намного больше среднего, и это сглаживается байпасными конденсаторами. Помните, что ваш показатель 64A был получен от работы в обратном направлении от TDP, в результате чего было действительно 64A RMS, и могут существовать значительные отклонения от этого во многих временных масштабах (изменение во время тактового цикла, изменение во время различных операций, изменение между состояниями сна и т. Д.). ). Также, Вы можете обойтись без запуска процессора, предназначенного для работы на 3 ГГц на 1,2 В и 64 А при 1 В и 1 А ... просто возможно на 3 МГц. Хотя в этот момент вам придется беспокоиться о том, использует ли чип динамическую логику с минимальной тактовой частотой, поэтому, возможно, вам придется запускать его на частотах от нескольких сотен МГц до ГГц и периодически переводить его в глубокий сон, чтобы получить среднее значение. тока вниз. Суть в том, что мощность = производительность. Производительность большинства современных процессоров фактически ограничена. поэтому, возможно, вам придется запустить его на частоте от нескольких сотен МГц до ГГц и периодически переключать его в режим глубокого сна, чтобы снизить средний ток. Суть в том, что мощность = производительность. Производительность большинства современных процессоров фактически ограничена. поэтому, возможно, вам придется запустить его на частоте от нескольких сотен МГц до ГГц и периодически переключать его в режим глубокого сна, чтобы снизить средний ток. Суть в том, что мощность = производительность. Производительность большинства современных процессоров фактически ограничена.
2. $I = C v \alpha f$$I$$C$$v$$\alpha$$f$
3. Вроде. Чем быстрее емкость затвора заряжается или разряжается, тем быстрее будет переключаться транзистор. Для более быстрой зарядки требуется либо меньшая емкость (определяется геометрией), либо больший ток (определяется сопротивлением межсоединения и напряжением питания). Отдельные транзисторы переключаются быстрее, чем это означает, что они могут переключаться чаще, что приводит к более среднему потреблению тока (пропорционально тактовой частоте).

Отредактируйте: так, на http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf есть рисунок для емкости затвора 25-нм FinFET. Я просто назову это 0,1 fF ради простоты. По-видимому, оно меняется в зависимости от напряжения смещения и, разумеется, будет зависеть от размера транзистора (размеры транзисторов соответствуют их назначению в схеме, не все транзисторы будут одинакового размера! Большие транзисторы «сильнее», так как они могут переключать больший ток, но они также имеют более высокую емкость затвора и требуют большего тока для привода).

$\alpha = 1$$0.375 \mu A$, Умножьте это на 1 миллиард, и вы получите 375 А. Это необходимый средний ток затвора (заряд в секунду в емкость затвора), чтобы переключить 1 миллиард этих транзисторов на частоте 3 ГГц. Это не считается «пробить», что произойдет во время переключения в логике CMOS. Это также среднее значение, поэтому мгновенный ток может сильно варьироваться - подумайте о том, как асимптотически уменьшается потребление тока при зарядке RC-цепи. Обход конденсаторов на подложке, корпусе и плате сглаживает это изменение. Очевидно, это всего лишь приблизительная цифра, но, похоже, это правильный порядок величины. Это также не учитывает ток утечки или заряд, хранящиеся в других паразитах (например, в проводке).

$\alpha$$\alpha = 1$$\alpha$$\alpha = 0.25$$\alpha$$\alpha = 0.000061$$\alpha$, Следовательно, почему в энергопотреблении кэш-памяти обычно преобладает ток утечки - это МНОГО незанятых транзисторов, которые просто утекают, а не переключаются.

Согласно Wikipedia , топовые процессоры, выпущенные в 2011 году, имели от 0,5 до 2,5 миллиардов транзисторов. Предполагая, что процессор с 1 миллиардом транзисторов потребляет ток 64А, средний ток составляет всего 64 нА на транзистор. Учитывая рабочие частоты в несколько ГГц, на самом деле это на удивление мало.