Perché un processore si surriscalda?

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Vorrei capire come il processo di calcolo fa surriscaldare il processore. Capisco che il calore è generato dai transistor.

In che modo i transistor generano esattamente il calore?
La correlazione tra il numero di chip e il calore generato è lineare?
I produttori di CPU ottimizzano le posizioni dei singoli transistor al fine di ridurre al minimo il calore generato?

— sintagma
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La commutazione del calore dei casi e quindi della velocità di clock ha anche una relazione diretta con il calore generato.

— nidhin,

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In pratica, i chip reali si riscaldano a causa del movimento di elettricità attraverso un conduttore resistente, come indicato nelle risposte. Ma se questo argomento ti interessa, potresti voler leggere su come la creazione stessa delle informazioni binarie richiede necessariamente la creazione di calore residuo; Un bel saggio che non richiede molta fisica può essere trovato qui plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

Non ho la matematica per rispondere correttamente (ed elaborare il commento di Eric), ma ci sono implicazioni per questa domanda nell'informatica quantistica e nelle porte reversibili . C'è "kT ln (2) energia dissipata per operazione di bit irreversibile". Parte del principio di Landauer . Se hai (A & B), questo ha due ingressi e un'uscita. Quell'informazione che si perde in questo processo deve andare da qualche parte e diventa entropia (calore) ... supponendo di averlo capito abbastanza per descriverlo.

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Un transistor (FET, nei moderni circuiti integrati) non passa mai istantaneamente dal pieno OFF al pieno ON. C'è un periodo in cui si accende o si spegne in cui il FET si comporta come un resistore (anche se completamente acceso ha ancora una resistenza).

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

Più i transistor commutano, più tempo trascorrono in quello stato resistivo, quindi più calore generano. Quindi la quantità di calore generato può essere direttamente proporzionale al numero di transistor - ma dipende anche da quali transistor stanno facendo cosa e quando, e ciò dipende da ciò che il chip viene istruito a fare.

Sì, i produttori possono posizionare blocchi specifici del loro design (non singoli transistor, ma blocchi che formano una funzione completa) in determinate aree a seconda del calore che il blocco potrebbe generare - per posizionarlo in un luogo con un migliore legame termico o per posizionare lontano da un altro blocco che potrebbe generare calore. Devono anche tenere conto della distribuzione dell'alimentazione all'interno del chip, quindi posizionare i blocchi in modo arbitrario potrebbe non essere sempre possibile, quindi devono scendere a compromessi.

— Majenko
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Ci sono molti molti fattori che contribuiscono a riscaldare la produzione in una CPU. Solo perché questa risposta non menziona la tua preferita non significa che sia sbagliata. Suggerisco, invece di votare le risposte perfettamente valide, provare a scrivere la propria risposta. Se è meglio di questo, la community deciderà e otterrà più voti.

— Majenko,

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Quindi, tendilo a dare alle persone una risposta migliore per inserire i loro voti anziché i miei.

— Majenko,

Lo farò, ma non avrò tempo per un po '(giorni). Per ora, sono d'accordo che il calore è generato da perdite resistive. Tuttavia, non credo che la tua risposta dia una comprensione molto profonda.

— HKOB

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Tutto il flusso di corrente in qualsiasi cosa che non sia un superconduttore genera calore. Nei trucioli, scorre principalmente in strati di "metallo" di alluminio (perché non il rame? Si scopre una brutta interazione chimica con altre parti del silicio).

Cosa causa il flusso di corrente? Ogni volta che un transistor cambia stato, questo può essere modellato come un condensatore (la porta FET della porta logica pilotata più la capacità del filo parassita) che si carica / scarica attraverso il filo e l'uscita FET della porta precedente. Questa è "commutazione" o potenza "dinamica". È proporzionale alla velocità di commutazione e al quadrato della tensione; quindi l'azionamento da 5 V a 3,3 V a 1,8 V per una migliore efficienza.

Gli isolanti non sono perfetti e in alcuni punti sono molto sottili. I transistor potrebbero non essere completamente "disattivati". Se un FET ha una resistenza off di un megaohm e ne metti un milione in parallelo, sembra un resistore da 1 ohm. Questo è un potere di "perdita". È proporzionale al numero di transistor.

Ho trascorso un decennio lavorando in una startup per l'ottimizzazione della potenza. :) Esistono molte tecniche: compromessi di velocità / perdite ("high metal metal gate"), spegnimento completo di parti del circuito, clock gating, riduzione della frequenza di clock, dimensionamento e posizionamento.

— pjc50
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Microprocessori ad alte prestazioni di oggi effettivamente fare interconnessioni di rame uso, con sottili strati di altri metalli per evitare che il rame dalla reazione con silicio. L'alluminio viene comunque utilizzato su chip meno complessi e con processi più grandi, poiché è molto meno complicato con cui lavorare.

— Hobbs

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1) Ogni volta che c'è flusso di corrente, il calore viene generato dalle collisioni degli elettroni. 2) Sì, generalmente la correlazione è lineare. 3) È molto improbabile che i produttori di CPU ottimizzino la posizione dei singoli transistor, per ridurre al minimo il calore generato (sono tutti all'interno dello stesso involucro).
Quando una CPU è "inattiva", sebbene utilizzi una quantità minima di corrente, genera calore. Quando il processore inizia a "elaborare" le informazioni, i singoli transistor indicano gli stati. Questa commutazione genera anche calore. Inoltre, la frequenza di commutazione influisce sulla velocità di generazione del calore, maggiore è la frequenza, maggiore è la velocità di generazione del calore. Poiché la capacità di dissipazione del calore del chip è fissa, può surriscaldarsi se viene utilizzato a una frequenza superiore rispetto a quanto progettato per funzionare.

— Guill
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è semplice sappiamo che secondo la legge di Joules che ogni volta che l'elettrone fluisce attraverso il conduttore il calore prodotto a causa della resistenza del materiale perché ogni conduttore ha una certa resistenza in esso.

— Abhay
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