Почему выработка тепла увеличивается при увеличении тактовой частоты процессора?

Вся дискуссия о многоядерных процессах заставила меня задуматься.

Гораздо проще произвести два ядра (в одном пакете), чем ускорить одно ядро ​​в два раза. Почему именно это? Я немного погуглил, но нашел в основном очень неточные ответы из-за чрезмерной тактовой частоты, которые не объясняют основную физику.

Кажется, что напряжение оказывает наибольшее влияние (квадратичное), но нужно ли мне запускать процессор при более высоком напряжении, если я хочу увеличить тактовую частоту? Также мне хотелось бы знать, почему именно (и сколько) тепла выделяет полупроводниковая схема, когда она работает с определенной тактовой частотой.

Каждый раз, когда тикают часы, вы заряжаете или разряжаете группу конденсаторов. Энергия для зарядки конденсатора составляет:

E = 1/2*C*V^2

куда C это емкость и V это напряжение, до которого оно было заряжено.

Если ваша частота f[Hz]тогда у вас есть f циклов в секунду, и ваша сила:

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

Вот почему мощность возрастает линейно с частотой.

Вы можете видеть, что оно растет квадратично с напряжением. Из-за этого вы всегда хотите работать при минимально возможном напряжении. Однако, если вы хотите поднять частоту, вам также нужно поднять напряжение, потому что более высокие частоты требуют более высоких рабочих напряжений, поэтому напряжение возрастает линейно с частотой.

По этой причине сила возрастает как f^3 (или как V^3 ).

Теперь, когда вы увеличиваете количество ядер, вы в основном увеличиваете емкость C, Это не зависит от напряжения и частоты, поэтому мощность возрастает линейно с C, Вот почему энергоэффективнее увеличить количество ядер, чем увеличить частоту.

Зачем вам нужно увеличивать напряжение, чтобы увеличить частоту? Ну, напряжение на конденсаторе изменяется в зависимости от:

dV/dt = I/C

где I это ток. Таким образом, чем выше ток, тем быстрее вы можете зарядить емкость затвора транзистора до его напряжения «включено» (напряжение «включено» не зависит от рабочего напряжения), и тем быстрее вы сможете включить транзистор. Ток растет линейно с рабочим напряжением. Вот почему вам нужно увеличить напряжение, чтобы увеличить частоту.

Очень в основном:

• Транзистор переключается быстрее, когда вы подаете на него больше напряжения.
• современные микросхемы потребляют большую часть энергии при переходе из одного состояния в другое (на тактовой частоте), но не потребляют энергии, чтобы оставаться в том же состоянии (ну, есть утечка, поэтому не совсем нет питания), поэтому чем быстрее вы переключаетесь, тем Чем больше у вас переключений в секунду, тем больше энергии вы потребляете.

Очень хорошая книга обо всех деталях архитектуры процессора: организация и дизайн компьютеров Дэвида А. Паттерсона, Джона Л. Хеннесси

Каждый раз, когда транзистор переключает состояние, ток расходуется. Более высокая частота означает более быстрое переключение, больший ток теряется. И сопротивление всего превращает его в тепло. P = I ^ 2 * R и все такое. И Р это V ^ 2 / R. В этом случае, однако, вы действительно хотите, чтобы среднее значение V и I со временем было в состоянии вычислить, и оно было бы квадратичным по отношению к напряжению и току.

1) два ядра против ускорения одного ядра
Чтобы ускорить одно ядро, вам нужна новая технология для ускорения переключения транзисторов из одного состояния в другое. Чтобы добавить еще одно ядро, вам просто нужно больше таких же транзисторов.

2) Тепло
Рассеиваемая мощность находится в форме тепла. Мощность = Напряжение * Ток. Напряжение = сопротивление * ток. Мощность = Напряжение ^ 2 / Сопротивление. Таким образом, тепловыделение пропорционально квадрату напряжения.

Ну, в электроэнергии есть два вида мощности: реактивная мощность и реальная мощность. Некоторые люди называют реактивную мощность динамической силой. Реактивная мощность никогда не расходуется и не теряется. Например, если идеальный конденсатор подключен к источнику переменного напряжения идеальными проводами без потерь, конденсатор будет заряжаться и разряжаться, отбирая энергию у генератора за один цикл и возвращая энергию генератору в следующем цикле. Чистый убыток равен нулю.

Однако, если провода неидеальны и резистивны, то энергия в проводах рассеивается во время зарядки и разрядки конденсатора. Эта рассеиваемая мощность является реальной потерей мощности и не может быть восстановлена. Когда тактовая частота увеличивается, скорость зарядки и разрядки увеличивается, увеличивая потери в проводах.

Затворы транзисторов ведут себя как конденсаторы. По мере повышения тактовой частоты на конденсаторы поступает больше реактивной мощности. Доля которых теряется в резистивных проводах, также возрастает.

Одна вещь, не упомянутая до сих пор - чипы становятся быстрее, а процесс литографии, делающий их, делает компоненты меньше. Они стали настолько маленькими, что в некоторых случаях они имеют ширину в несколько атомов. В настоящее время происходит значительная утечка тока, которая обычно рассеивается в виде тепла.

Для быстрого переключения состояния цепи требуется больший ток, чем для медленного переключения. Для достижения этого тока вам нужно более высокое напряжение и / или более крупные компоненты, требующие большей мощности. И, конечно же, более крупные компоненты нуждаются в большем токе привода, вызывая эффект снежного кома.

(Интересно, что в последнем журнале Scientific American (июль 2011 г.) была статья, посвященная этой теме для человеческого мозга. Те же принципы, и один из способов, которым человеческий мозг обладает большей мощностью, - это разделить мозг на отдельные подпроцессоры, так сказать.)