Dlaczego procesory potrzebują tak dużo prądu?

Wiem, że prosty procesor (np. Intel lub AMD) może zużywać 45–140 W, a wiele procesorów działa przy napięciu 1,2 V, 1,25 V itp.

Zakładając, że procesor działa przy 1,25 V i ma TDP 80 W ... używa 64 amperów (dużo wzmacniaczy).

1. Dlaczego procesor potrzebuje więcej niż 1 A w swoim obwodzie (zakładając, że tranzystory FinFET)? Wiem, że przez większość czasu procesor pracuje na biegu jałowym, a 60 A to „impulsy”, ponieważ procesor ma zegar, ale dlaczego procesor nie może działać przy 1 V i 1 A?

2. Mały i szybki tranzystor FinFET, na przykład: 14 nm pracujący przy 3,0 GHz potrzebuje ilu wzmacniaczy (około)?

3. Czy wyższy prąd powoduje szybsze włączanie i / lub wyłączanie tranzystorów?

1. Procesory nie są „proste” w żadnym stopniu wyobraźni. Ponieważ mają kilka miliardów tranzystorów, z których każdy będzie miał niewielki wyciek na biegu jałowym i podczas przełączania będzie musiał naładować i rozładować bramkę oraz połączyć pojemność w innych tranzystorach. Tak, każdy pobiera mały prąd, ale pomnożenie go przez liczbę tranzystorów powoduje zaskakująco dużą liczbę. 64A jest już średnim prądem ... podczas przełączania tranzystory mogą pobierać znacznie więcej niż średnia, a to jest wygładzane przez kondensatory obejściowe. Pamiętaj, że twoja liczba 64A pochodzi z pracy wstecz od TDP, co sprawia, że ​​tak naprawdę 64A RMS, i może istnieć znacząca zmienność wokół tego w wielu skalach czasowych (zmiana podczas cyklu zegara, zmiana podczas różnych operacji, zmiana między stanami uśpienia itp. ). Również, być może uda Ci się uniknąć pracy z procesorem zaprojektowanym do pracy z częstotliwością 3 GHz przy napięciu 1,2 wolta i 64 amperach przy napięciu 1 wolta i 1 wzmacniaczu ... może tylko przy 3 MHz. Chociaż w tym momencie musisz się martwić, czy układ wykorzystuje dynamiczną logikę, która ma minimalną częstotliwość taktowania, więc być może będziesz musiał uruchomić go z częstotliwością kilkuset MHz do GHz i okresowo przełączać go w głęboki sen, aby uzyskać średnią prąd w dół. Najważniejsze jest to, że moc = wydajność. Wydajność większości nowoczesnych procesorów jest w rzeczywistości ograniczona termicznie. więc może będziesz musiał uruchomić go z częstotliwością kilkuset MHz do GHz i okresowo włączać go w tryb głębokiego uśpienia, aby obniżyć średni prąd. Najważniejsze jest to, że moc = wydajność. Wydajność większości nowoczesnych procesorów jest w rzeczywistości ograniczona termicznie. więc może będziesz musiał uruchomić go z częstotliwością kilkuset MHz do GHz i okresowo włączać go w tryb głębokiego uśpienia, aby obniżyć średni prąd. Najważniejsze jest to, że moc = wydajność. Wydajność większości nowoczesnych procesorów jest w rzeczywistości ograniczona termicznie.
2. Jest to stosunkowo łatwe do obliczenia - , gdzie jest prądem, to pojemność obciążenia, to napięcie, to współczynnik aktywności, a to częstotliwość przełączania. Zobaczę, czy uda mi się zdobyć numery ballparków dla pojemności bramki FinFET i edytować. I C v α $I = C v \alpha f$$I$$C$$v$$\alpha$$f$
3. Raczej. Im szybciej pojemność bramki jest ładowana lub rozładowywana, tym szybciej tranzystor się przełącza. Szybsze ładowanie wymaga albo mniejszej pojemności (określonej przez geometrię), albo większego prądu (określonej przez rezystancję połączenia i napięcie zasilania). Poszczególne tranzystory przełączają się szybciej, co oznacza, że ​​mogą przełączać się częściej, co powoduje większy pobór prądu (proporcjonalny do częstotliwości taktowania).

Edycja: więc http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf ma wartość pojemności bramki 25 nm FinFET. Nazywam to po prostu 0.1 FF, aby zachować prostotę. Najwyraźniej zmienia się w zależności od napięcia polaryzacji i na pewno będzie się różnić w zależności od wielkości tranzystora (tranzystory są zwymiarowane zgodnie z ich przeznaczeniem w obwodzie, nie wszystkie tranzystory będą tego samego rozmiaru! Większe tranzystory są „mocniejsze”, ponieważ mogą przełączać większy prąd, ale mają również wyższą pojemność bramki i wymagają więcej prądu do sterowania).

Podłączenie 1,25 V, 0,1 FF 3 GHz i , wynik . Pomnóż to przez 1 miliard, a otrzymasz 375 A. To jest wymagany średni prąd bramki (ładowanie na sekundę do pojemności bramki), aby przełączyć 1 miliard tych tranzystorów na 3 GHz. To nie liczy się jako „strzelanie”, które nastąpi podczas przełączania w logice CMOS. Jest to również średnia, więc prąd chwilowy może się bardzo różnić - pomyśl o tym, jak asymptotycznie zmniejsza się pobór prądu, gdy obwód RC ładuje się. Obejdź kondensatory na podłożu, obudowie i płytce drukowanej, aby wygładzić tę odmianę. Oczywiście jest to tylko figura do gry w piłkę, ale wydaje się, że jest to odpowiedni rząd wielkości. Nie uwzględnia to również prądu upływu ani ładunku przechowywanego w innych pasożytach (tj 0,375 μ $\alpha = 1$$0.375 \mu A$

W większości urządzeń będzie znacznie mniejsza niż 1, ponieważ wiele tranzystorów będzie bezczynnych w każdym cyklu zegara. Będzie się to różnić w zależności od funkcji tranzystorów. Na przykład tranzystory w sieci dystrybucji zegara będą miały ponieważ przełączają się dwukrotnie w każdym cyklu zegara. W przypadku czegoś takiego jak licznik binarny LSB miałby 0,5, ponieważ przełącza się raz na cykl zegara, następny bit miałby ponieważ przełącza się o połowę tak często, itp. Jednak w przypadku czegoś w rodzaju pamięci podręcznej,α = 1 α α = 0,25 α α = 0,000061 $\alpha$$\alpha = 1$$\alpha$$\alpha = 0.25$$\alpha$może być bardzo mały. Weźmy na przykład 1 MB pamięci podręcznej. Pamięć podręczna 1 MB zbudowana z komórek SRAM 6T ma 48 milionów tranzystorów tylko do przechowywania danych. Będzie miał więcej dla logiki odczytu i zapisu, demultiplekserów itp. Jednak tylko garstka kiedykolwiek włączyłaby dany cykl zegara. Powiedzmy, że linia bufora ma 128 bajtów, a nowa linia jest zapisywana w każdym cyklu. To 1024 bity. Zakładając, że zawartość komórki i nowe dane są losowe, oczekuje się, że 512 bitów zostanie odwróconych. To 3072 tranzystorów z 48 milionów, czyli . Zauważ, że dotyczy to tylko samej tablicy pamięci; zespół obwodów pomocniczych (dekodery, logika odczytu / zapisu, wzmacniacze wykrywające itp.) będzie miał znacznie większy$\alpha = 0.000061$$\alpha$. Dlatego zużycie energii w pamięci podręcznej jest zwykle zdominowane przez prąd upływowy - to jest mnóstwo bezczynnych tranzystorów, które siedzą wokół i przeciekają zamiast przełączać się.

Według Wikipedii , najlepsze procesory wydane w 2011 roku miały około 0,5 do 2,5 miliarda tranzystorów. Zakładając, że procesor z 1 miliardem tranzystorów zużywa 64A prądu, średni prąd wynosi tylko 64nA na tranzystor. Biorąc pod uwagę częstotliwości pracy kilku GHz, jest to zaskakująco mało.