Dlaczego wzrasta produkcja ciepła wraz ze wzrostem taktowania procesora?

19

Cała wielordzeniowa debata skłoniła mnie do myślenia.

O wiele łatwiej jest wyprodukować dwa rdzenie (w jednym pakiecie) niż przyśpieszyć jeden rdzeń dwa razy. Dlaczego to dokładnie jest? Trochę googlowałem, ale znalazłem w większości bardzo nieprecyzyjne odpowiedzi z przetaktowanych tablic, które nie wyjaśniają leżącej u podstaw fizyki.

Napięcie wydaje się mieć największy wpływ (kwadrat), ale czy muszę uruchamiać procesor przy wyższym napięciu, jeśli chcę uzyskać wyższą częstotliwość taktowania? Chciałbym również wiedzieć, dlaczego dokładnie (i ile) ciepła wytwarza obwód półprzewodnikowy, gdy pracuje z określoną częstotliwością zegara.

cpu-architecture Nils
źródło
jest wielordzeniowa debata? Myślałem, że skończyło się prawo Murphy'ego, a kompani nie mogli znaleźć nic innego do roboty.
7
Prawo Moore'a. Prawo Murphy'ego skończy się tylko w najgorszym możliwym momencie. :-)
O. Jones
Jednak komentarz Gary'ego zawiera element prawdy. W tym momencie liczba tranzystorów jest na tyle wysoka, że ​​w przypadku większych procesorów projektanci mogą skazać wszystko na śmierć, zamiast wybierać i wybierać, a dodanie pamięci podręcznej ostatecznie kończy się zmniejszeniem. Zyski 10-20% dzięki nowej architekturze wskazują, że projektanci wciąż udoskonalają wydajność, ale prawdopodobnie nie ma nic rewolucyjnego, co można by wdrożyć, gdyby dostępnych było więcej tranzystorów.
Dan Neely

Odpowiedzi:

35

Za każdym razem, gdy zegar tyka, ładujesz lub rozładowujesz wiązkę kondensatorów. Energia do ładowania kondensatora wynosi:

E = 1/2*C*V^2

Gdzie Cjest pojemność i Vnapięcie, do którego zostało naładowane.

Jeśli twoja częstotliwość wynosi f[Hz], to masz fcykle na sekundę, a twoja moc to:

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

Dlatego moc rośnie liniowo wraz z częstotliwością.

Widać, że rośnie kwadratowo wraz z napięciem. Z tego powodu zawsze chcesz pracować z możliwie najniższym napięciem. Jeśli jednak chcesz podnieść częstotliwość, musisz również podnieść napięcie, ponieważ wyższe częstotliwości wymagają wyższych napięć roboczych, więc napięcie rośnie liniowo wraz z częstotliwością.

Z tego powodu moc rośnie jak f^3(lub jak V^3).

Teraz, gdy zwiększasz liczbę rdzeni, zasadniczo zwiększasz pojemność C. Jest to niezależne od napięcia i częstotliwości, więc moc rośnie liniowo z C. Dlatego bardziej efektywne energetycznie jest zwiększenie liczby rdzeni niż zwiększenie częstotliwości.

Dlaczego musisz zwiększyć napięcie, aby zwiększyć częstotliwość? Cóż, napięcie kondensatora zmienia się zgodnie z:

dV/dt = I/C

gdzie Ijest prąd. Im wyższy prąd, tym szybciej można naładować pojemność bramki tranzystora do jego napięcia „włączenia” (napięcie „włączenia” nie zależy od napięcia roboczego) i tym szybciej można włączyć tranzystor. Prąd rośnie liniowo wraz z napięciem roboczym. Dlatego musisz zwiększyć napięcie, aby zwiększyć częstotliwość.

Nathan Fellman
źródło
7
Tranzystory mają pojemność dynamiczną. Aby „otworzyć” tranzystor, musisz naładować jego pojemność bramki.
Nathan Fellman
1
Nawet nie wyciekłem, ale to działa tak samo. To bardziej jak jakiś rezystor, a mniej jak kondensator, więc zużywa moc w oparciu o v ^ 2 / r przy tej samej częstotliwości f.
Nathan Fellman
1
Jesteś w błędzie. W 100% chodzi o pojemność. Pojemność jest ładowana i rozładowywana przez rezystancję drenu źródła, co zdecydowanie nie jest wyciekiem, ale zużywa energię, którą spędziłeś ładując i rozładowując kondensatory. Nie chodzi też o to, że nie są to w żaden sposób idealne kondensatory. Po pierwsze, to kondensatory rzeczywiste, po drugie to kondensatory MOS, których zachowanie różni się bardzo od zwykłych kondensatorów, choćby dlatego, że ich pojemność zależy od prądu.
Nathan Fellman
3
ok ... pojemność nie ma nic wspólnego z konwersją ciepła, ale dotyczy zużycia energii, ponieważ trzeba zainwestować 1 / 2CV ^ 2, aby naładować kondensator. Ta energia pochodzi z jakiegoś źródła zasilania, więc za każdym razem, gdy ładujesz kondensator, wydajesz 1 / 2CV ^ 2 z tego źródła. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby źródło to się rozgrzało. Sama pojemność nie jest winna. Środowisko, że kondensator jest to winien.
Nathan Fellman
1
@ Gary Obwiniasz pojemność, ponieważ skala ciepła skaluje się wraz z pojemnością. Powiedz, że musisz podnieść napięcie na tranzystorze z 0,2 V do 0,75 V w miliardowej sekundzie ze źródła 0,9 V. Moc, której używasz do tego, zależy liniowo od rezystancji, przez którą musi przejść prąd, i pojemności bramki. Gdyby pojemność była zerowa, prąd nie musiałby przepływać przez opór.
David Schwartz
7

Zasadniczo:

  • Tranzystor przełącza się szybciej, gdy przyłożysz do niego więcej napięcia.
  • nowoczesne układy scalone zużywają najwięcej energii podczas przełączania z jednego stanu do drugiego (na zegarze zegara), ale nie zużywają energii, aby pozostać w tym samym stanie (cóż, występuje wyciek, więc nie dokładnie brak mocy), więc im szybciej się przełączasz, im więcej masz przełączników na sekundę, tym więcej energii zużywasz.

Bardzo dobra książka na temat wszystkich szczegółów architektury procesora: organizacja i projekt komputerowy David A. Patterson, John L. Hennessy.

Guillaume
źródło
To klasyczna książka.
czy to gubernator stanu Nowy Jork?
Nathan Fellman
5

Za każdym razem, gdy tranzystor przełącza stan, zużywa się prąd. Wyższa częstotliwość oznacza szybsze przełączanie, więcej marnowanego prądu. A impedancja wszystkiego zamienia go w ciepło. P = I ^ 2 * R i tak dalej. A P oznacza V ^ 2 / R. Jednak w tym przypadku naprawdę chciałbyś, aby średnie V i ja z czasem były w stanie obliczyć, i byłoby kwadratowe zarówno dla napięcia, jak i prądu.

gtrak
źródło
Przeciek jest mniej znaczący niż faktyczna moc przełączania.
Nathan Fellman
przepraszam, zmienię „wyciekły” na „zmarnowane”
„A impedancja wszystkiego zamienia ją w ciepło” - właściwie nie impedancja. Tylko opór. Urojone części impedancji nie przekształcają się w ciepło.
Nathan Fellman
2

1) dwa rdzenie vs. przyspieszenie jednego rdzenia
Aby przyspieszyć jeden rdzeń, potrzebujesz nowej technologii, aby przyspieszyć przełączanie tranzystorów z jednego stanu do drugiego. Aby dodać kolejny rdzeń, potrzebujesz więcej takich samych tranzystorów.

2) Ciepło
Rozpraszanie mocy ma postać ciepła. Moc = napięcie * prąd. Napięcie = rezystancja * Prąd. Moc = napięcie ^ 2 / rezystancja. Rozpraszane ciepło jest więc proporcjonalne do kwadratu napięcia.

Robert
źródło
Tak, wiem, że ciepło rośnie kwadratowo wraz z napięciem. Nie rozumiem, jaki wpływ ma napięcie na prędkość zegara? Czy potrzebuję wyższego napięcia, aby uzyskać wyższą prędkość zegara?
Wiem, że PIC Microchip mają wykres napięcia w funkcji częstotliwości. Istnieje minimalne napięcie, które układ będzie pracował na niskiej częstotliwości. Jest to skala liniowa do maksymalnego napięcia i maksymalnej częstotliwości.
Robert
2
@ Zero, wyższe napięcie daje ostrzejsze i mniej niejednoznaczne przejścia i stany oraz zwiększa prawdopodobieństwo, że 1 zostanie zinterpretowane jako 1, a nie zero. A wyższa częstotliwość powoduje, że przejścia są mniej kwadratowe. Pamiętaj, że fale kwadratowe nie istnieją.
masz na myśli bardziej kwadratowy
Nathan Fellman
1

Cóż, w energii elektrycznej istnieją dwa rodzaje mocy, moc bierna i moc rzeczywista. Niektórzy nazywają moc bierną mocą dynamiczną. Moc bierna nigdy nie jest zużywana ani tracona. Na przykład, jeśli idealny kondensator jest podłączony do źródła napięcia przemiennego za pomocą idealnych bezstratnych drutów, kondensator będzie ładował się i rozładowywał, pobierając energię z generatora w jednym cyklu i zwracając energię do generatora w następnym cyklu. Strata netto wynosi zero.

Jeśli jednak druty są niepalne i rezystancyjne, wówczas energia jest rozpraszana w drutach podczas ładowania i rozładowywania kondensatora. Ta rozproszona moc stanowi rzeczywistą utratę mocy i nie można jej odzyskać. Wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania rośnie szybkość ładowania i rozładowywania, zwiększając straty mocy w przewodach.

Bramy tranzystorów zachowują się jak kondensatory. Wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania do kondensatorów dostarczana jest większa moc bierna. Część, która jest tracona w drutach oporowych, również rośnie.

Weng Cho
źródło
0

Jedna rzecz nie wspomniana do tej pory - chipy stają się szybsze, a proces litografii, aby je zmniejszyć, zmniejsza komponenty. Stały się tak małe, że w niektórych przypadkach mają kilka atomów szerokości. Obecnie występuje znaczny upływ prądu, który jest ogólnie rozpraszany jako ciepło.

Rich Homolka
źródło
0

Szybkie przełączanie stanu obwodu wymaga większego prądu niż przełączanie go powoli. Aby osiągnąć ten prąd, potrzebujesz wyższego napięcia i / lub większych, bardziej energochłonnych komponentów. I oczywiście większe elementy potrzebują więcej prądu napędowego, co powoduje efekt śnieżki.

(Co ciekawe, w najnowszym Scientific American (lipiec 2011 r.) Był artykuł na ten temat dotyczący ludzkiego mózgu. Te same zasady i jednym ze sposobów, w jaki ludzki mózg wykorzystuje większą moc, jest podział mózgu na osobne podprocesory, że tak powiem.)

Daniel R. Hicks
źródło