Perché la produzione di calore aumenta all'aumentare del clock di una CPU?

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L'intero dibattito multi-core mi ha fatto pensare.

È molto più facile produrre due core (in un pacchetto), quindi accelerare un core di un fattore due. Perché esattamente questo? Ho cercato su Google un po ', ma ho trovato risposte per lo più molto imprecise da schede over clock che non spiegano la fisica sottostante.

La tensione sembra avere il maggiore impatto (quadratica), ma devo far funzionare una CPU a una tensione più alta se voglio una frequenza di clock più veloce? Inoltre mi piace sapere perché esattamente (e quanto) il calore produce un circuito a semiconduttore quando funziona a una determinata velocità di clock.

cpu-architecture

— Nils
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c'è un dibattito multi-core? Pensavo che la legge di Murphy si fosse esaurita e che i ragazzi dell'arco non fossero riusciti a trovare altro da fare.

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La legge di Moore. La legge di Murphy si esaurirà nel momento peggiore possibile. :-)

— O. Jones,

C'è un elemento di verità nel commento di Gary però. A questo punto i conteggi dei transistor sono abbastanza alti che per le CPU più grandi i progettisti possono mettere tutto a posto invece di dover scegliere e scegliere, e l'aggiunta di cache alla fine si traduce in rendimenti decrescenti. I guadagni del 10-20% con le nuove architetture indicano che i progettisti stanno ancora riuscendo a modificare le prestazioni, ma probabilmente non è rimasto nulla di rivoluzionario che potrebbe essere implementato se fossero disponibili più transistor da spendere.

— Dan Neely,

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Ogni volta che l'orologio segna, stai caricando o scaricando un gruppo di condensatori. L'energia per caricare un condensatore è:

E = 1/2*C*V^2

Dov'è Cla capacità ed Vè la tensione a cui è stata caricata.

Se la tua frequenza è f[Hz], allora hai dei fcicli al secondo e la tua potenza è:

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

Ecco perché la potenza aumenta linearmente con la frequenza.

Puoi vedere che sale quadraticamente con la tensione. Per questo motivo, si desidera sempre eseguire la tensione più bassa possibile. Tuttavia, se si desidera aumentare la frequenza, è necessario aumentare anche la tensione, poiché frequenze più elevate richiedono tensioni operative più elevate, quindi la tensione aumenta linearmente con la frequenza.

Per questo motivo, il potere aumenta come f^3(o come V^3).

Ora, quando aumenti il numero di core, sostanzialmente aumenti la capacità C. Questo è indipendente dalla tensione e dalla frequenza, quindi la potenza aumenta linearmente con C. Ecco perché è più efficiente dal punto di vista energetico aumentare il numero di core che aumentare la frequenza.

Perché è necessario aumentare la tensione per aumentare la frequenza? Bene, la tensione di un condensatore cambia in base a:

dV/dt = I/C

dov'è Ila corrente. Quindi, maggiore è la corrente, più veloce è possibile caricare la capacità del gate del transistor alla sua tensione "on" (la tensione "on" non dipende dalla tensione operativa) e più velocemente è possibile accendere il transistor. La corrente aumenta linearmente con la tensione operativa. Ecco perché è necessario aumentare la tensione per aumentare la frequenza.

— Nathan Fellman
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I transistor hanno capacità dinamica. Per "aprire" un transistor, è necessario caricare la sua capacità di gate.

— Nathan Fellman,

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Non sono nemmeno andato in perdita, ma funziona praticamente allo stesso modo. È più simile a una sorta di resistenza, e meno a un condensatore, quindi consuma energia in base a v ^ 2 / r alla stessa frequenza f.

— Nathan Fellman,

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Hai torto. È al 100% circa la capacità. La capacità viene caricata e scaricata attraverso la resistenza di drain della sorgente, che non è sicuramente una perdita, ma che consuma l'energia che hai speso per caricare e scaricare i condensatori. Inoltre, non che questi non siano condensatori ideali in alcun modo. In primo luogo sono condensatori del mondo reale, in secondo luogo sono condensatori MOS il cui comportamento è molto diverso dai normali condensatori, anche solo perché la loro capacità dipende dalla tensione di corrente.

— Nathan Fellman,

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ok ... la capacità non ha nulla a che fare con la conversione del calore, ma ha a che fare con il consumo di energia, perché è necessario investire 1 / 2CV ^ 2 per caricare il condensatore. Quell'energia proviene da una fonte di alimentazione, quindi ogni volta che carichi il condensatore, stai spendendo 1 / 2CV ^ 2 da quella fonte. Non c'è niente che impedisca a quella fonte di riscaldarsi. La capacità di per sé non è da biasimare. L'ambiente che condensatore è in è la colpa.

— Nathan Fellman,

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@Gary Dai la colpa alla capacità perché il calore si ridimensiona con la capacità. Supponiamo che sia necessario aumentare la tensione su un transistor da 0,2 V a 0,75 V in un miliardesimo di secondo da una sorgente da 0,9 V. La potenza che usi per farlo dipende linearmente dalla resistenza che la corrente deve attraversare e dalla capacità del gate. Se la capacità fosse zero, nessuna corrente dovrebbe fluire attraverso la resistenza.

— David Schwartz,

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Fondamentalmente:

Un transistor passa più velocemente quando si applica più tensione ad esso.
i moderni IC consumano più energia quando si passa da uno stato all'altro (con il segno di spunta dell'orologio), ma non consumano energia per rimanere nello stesso stato (beh, c'è perdita, quindi non esattamente nessuna alimentazione) quindi più velocemente si cambia, il più interruttore al secondo hai, più energia consumi.

Un ottimo libro su tutti i dettagli dell'architettura del processore: organizzazione del computer e design di David A. Patterson, John L. Hennessy.

— Guillaume
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Questo è un libro classico.

è quello il governatore dello stato di New York?

— Nathan Fellman,

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Ogni volta che un transistor commuta lo stato, la corrente viene spesa. Una frequenza più alta significa una commutazione più rapida, più corrente sprecata. E l'impedenza di tutto lo converte in calore. P = I ^ 2 * R e tutto il resto. E P è V ^ 2 / R. In questo caso, però, vorresti davvero che io e la media nel tempo potessimo calcolare, e sarebbe quadratico rispetto alla tensione e alla corrente entrambi.

— gtrak
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La perdita è meno significativa della potenza di commutazione effettiva.

— Nathan Fellman,

scusa, cambierò 'trapelato' in 'sprecato'

"E l'impedenza di tutto lo converte in calore" - in realtà, non l'impedenza. Solo la resistenza. Le parti immaginarie dell'impedenza non vengono convertite in calore.

— Nathan Fellman,

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1) due core vs. accelerazione di un core
Per accelerare un core è necessaria una nuova tecnologia per accelerare il passaggio dei transistor da uno stato a un altro. Per aggiungere un altro core, hai solo bisogno di più degli stessi transistor.

2) Calore
La dissipazione di potenza è sotto forma di calore. Potenza = Tensione * Corrente. Tensione = Resistenza * Corrente. Potenza = Tensione ^ 2 / Resistenza. Quindi il calore dissipato è proporzionale alla tensione al quadrato.

— Roberto
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Sì, lo so che il calore aumenta quadratico con la tensione, ciò che non capisco è quale influenza ha la tensione sulla velocità di clock? Ho bisogno di una tensione maggiore per una maggiore velocità di clock?

So che i PIC del Microchip hanno un grafico per tensione vs frequenza. C'è una tensione minima che il chip funzionerà a bassa frequenza. È una scala lineare alla massima tensione e massima frequenza.

— Robert,

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@Nil, una tensione più elevata fornisce transizioni e stati più nitidi e meno ambigui, e rende più probabile che un 1 venga interpretato come 1 e non come 0. E una frequenza più elevata rende le transizioni meno quadrate. Ricorda che le onde quadrate non esistono.

intendi più quadrato

— Nathan Fellman,

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Bene, in energia elettrica, ci sono due tipi di potenza, potenza reattiva e potenza reale. Alcune persone chiamano potenza dinamica potenza dinamica. La potenza reattiva non viene mai consumata o persa. Ad esempio, se un condensatore ideale è collegato a una sorgente di tensione CA mediante cavi ideali senza perdita, il condensatore si carica e scarica, prelevando energia dal generatore in un ciclo e restituendo energia al generatore nel ciclo successivo. La perdita netta è zero.

Tuttavia, se i fili non sono ideali e resistivi, l'energia viene dissipata nei fili durante la carica e la scarica del condensatore. Questa potenza dissipata è una vera perdita di potenza e non può essere recuperata. Quando la frequenza di clock aumenta, la velocità di carica e scarica aumenta, aumentando la perdita di potenza nei cavi.

Le porte dei transistor si comportano come condensatori. All'aumentare della frequenza di clock, ai condensatori viene erogata una maggiore potenza reattiva. Anche la frazione di cui si perde nei fili resistivi aumenta.

— Weng Cho
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Una cosa che non è stata menzionata finora: i chip diventano più veloci e il processo di litografia per renderli più piccoli componenti. Sono diventati così piccoli che in alcuni casi sono larghi pochi atomi. Ora c'è una significativa perdita di corrente, che viene dissipata come calore in generale.

— Rich Homolka
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Per cambiare rapidamente lo stato di un circuito è necessaria più corrente che per cambiarlo lentamente. Per raggiungere quella corrente è necessario un voltaggio più elevato e / o componenti più grandi e più assetati di potenza. E, naturalmente, i componenti più grandi hanno bisogno di più corrente, causando un effetto valanga.

(È interessante notare che c'era un articolo nell'ultimo Scientific American (luglio 2011) che tratta questo argomento per il cervello umano. Gli stessi principi e un modo in cui il cervello umano racchiude più potere è quello di suddividere il cervello in separatori secondari, per così dire.)

— Daniel R Hicks
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