¿Por qué aumenta la producción de calor a medida que aumenta la velocidad de reloj de una CPU?

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Todo el debate multinúcleo me hizo pensar.

Es mucho más fácil producir dos núcleos (en un paquete) que acelerar un núcleo por un factor de dos. ¿Por qué es esto exactamente? Busqué en Google un poco, pero en su mayoría encontré respuestas muy imprecisas de más de tableros de reloj que no explican la física subyacente.

El voltaje parece tener el mayor impacto (cuadrático), pero ¿necesito ejecutar una CPU a un voltaje más alto si quiero una velocidad de reloj más rápida? También me gusta saber por qué exactamente (y cuánto) calienta un circuito semiconductor cuando funciona a una velocidad de reloj determinada.

cpu-architecture Nils
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Hay un debate multinúcleo? Pensé que la ley de Murphy se había agotado y que los chicos del grupo no podían encontrar nada más que hacer.
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La ley de Moore. La ley de Murphy solo se agotará en el peor momento posible. :-)
O. Jones
Sin embargo, hay un elemento de verdad en el comentario de Gary. En este punto, los recuentos de transistores son lo suficientemente altos como para que los diseñadores de CPU más grandes puedan poner todo en marcha en lugar de tener que elegir y elegir, y agregar caché finalmente genera rendimientos decrecientes. Las ganancias del 10-20% con las nuevas arquitecturas indican que los diseñadores todavía están logrando ajustar el rendimiento, pero probablemente no quede nada revolucionario que pueda implementarse si hubiera más transistores disponibles para gastar.
Dan Neely

Respuestas:

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Cada vez que pasa el reloj, estás cargando o descargando un montón de condensadores. La energía para cargar un condensador es:

E = 1/2*C*V^2

¿Dónde Cestá la capacitancia y Vel voltaje al que se cargó?

Si su frecuencia es f[Hz], entonces tiene fciclos por segundo, y su potencia es:

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

Es por eso que la potencia aumenta linealmente con la frecuencia.

Puedes ver que sube cuadráticamente con el voltaje. Por eso, siempre querrás correr al voltaje más bajo posible. Sin embargo, si desea aumentar la frecuencia, también debe aumentar el voltaje, ya que las frecuencias más altas requieren voltajes operativos más altos, por lo que el voltaje aumenta linealmente con la frecuencia.

Por esta razón, el poder aumenta como f^3(o como V^3).

Ahora, cuando aumenta el número de núcleos, básicamente aumenta la capacitancia C. Esto es independiente del voltaje y de la frecuencia, por lo que la potencia aumenta linealmente con C. Es por eso que es más eficiente energéticamente aumentar el número de núcleos que aumentar la frecuencia.

¿Por qué necesita aumentar el voltaje para aumentar la frecuencia? Bueno, el voltaje de un condensador cambia de acuerdo con:

dV/dt = I/C

donde Iesta la corriente Por lo tanto, cuanto mayor sea la corriente, más rápido podrá cargar la capacitancia de la puerta del transistor a su voltaje "encendido" (el voltaje "encendido" no depende del voltaje de funcionamiento) y más rápido podrá encender el transistor. La corriente aumenta linealmente con el voltaje de funcionamiento. Es por eso que necesita aumentar el voltaje para aumentar la frecuencia.

Nathan Fellman
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Los transistores tienen capacitancia dinámica. Para "abrir" un transistor, debe cargar su capacitancia de compuerta.
Nathan Fellman
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Ni siquiera tuve fugas, pero eso funciona más o menos igual. Es más como una especie de resistencia, y menos como un condensador, por lo que consume energía basada en v ^ 2 / r a la misma frecuencia f.
Nathan Fellman
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Te equivocas. Es 100% sobre capacitancia. La capacitancia se carga y descarga a través de la resistencia de drenaje de la fuente, que definitivamente no es una fuga, pero que consume la energía que gastó cargando y descargando los condensadores. Además, no es que estos no sean condensadores ideales de ninguna manera. En primer lugar, son condensadores del mundo real, en segundo lugar, son condensadores MOS cuyo comportamiento es muy diferente de los condensadores regulares, aunque solo sea porque su capacidad depende de la tensión de corriente.
Nathan Fellman
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ok ... la capacitancia no tiene nada que ver con la conversión de calor, pero sí tiene que ver con el consumo de energía, porque necesitas invertir 1 / 2CV ^ 2 para cargar el condensador. Esa energía proviene de alguna fuente de energía, por lo que cada vez que carga el condensador, gasta 1 / 2CV ^ 2 de esa fuente. No hay nada que evite que esa fuente se caliente. La capacitancia per-se no tiene la culpa. El ambiente que el condensador es en es el culpable.
Nathan Fellman
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@ Gary Usted culpa a la capacitancia porque el calor aumenta con la capacitancia. Digamos que necesita aumentar el voltaje en un transistor de 0.2V a 0.75V en una billonésima de segundo desde una fuente de 0.9V. La potencia que utiliza para hacer eso depende linealmente de la resistencia que la corriente necesita para atravesar y la capacitancia de la puerta. Si la capacitancia fuera cero, no necesitaría corriente a través de la resistencia.
David Schwartz
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Básicamente:

  • Un transistor cambia más rápido cuando le aplica más voltaje.
  • Los circuitos integrados modernos consumen la mayor cantidad de energía cuando se pasa de un estado a otro (en el tictac del reloj), pero no consumen energía para permanecer en el mismo estado (bueno, hay fugas, por lo que no hay exactamente energía), por lo que cuanto más rápido cambie, cuanto más cambio tengas por segundo, más energía consumirás.

Un muy buen libro sobre todos los detalles de la arquitectura del procesador: organización y diseño de computadoras por David A. Patterson, John L. Hennessy.

Guillaume
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Ese es un libro clásico.
¿Es ese el gobernador del estado de Nueva York?
Nathan Fellman
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Cada vez que un transistor cambia de estado, se gasta corriente. Mayor frecuencia significa conmutación más rápida, más pérdida de corriente. Y la impedancia de todo lo convierte en calor. P = I ^ 2 * R y todo eso. Y P es V ^ 2 / R. Sin embargo, en este caso, realmente desearía que el V promedio y yo con el tiempo pudiéramos calcular, y sería cuadrático para el voltaje y la corriente.

gtrak
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La fuga es menos significativa que la potencia de conmutación real.
Nathan Fellman
lo siento, cambiaré 'filtrado' a 'perdido'
"Y la impedancia de todo lo convierte en calor", en realidad, no la impedancia. Solo la resistencia. Las partes imaginarias de la impedancia no se convierten en calor.
Nathan Fellman
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1) dos núcleos frente a la aceleración de un núcleo
Para acelerar un núcleo, necesita una nueva tecnología para acelerar el cambio de transistores de un estado a otro. Para agregar otro núcleo, solo necesita más transistores.

2) Calor
La disipación de energía es en forma de calor. Potencia = Voltaje * Corriente. Voltaje = Resistencia * Corriente. Potencia = Voltaje ^ 2 / Resistencia. Entonces, el calor disipado es proporcional al voltaje al cuadrado.

Robert
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Sí, sé que el calor aumenta cuadráticamente con el voltaje, lo que no entiendo es qué influencia tiene el voltaje en la velocidad del reloj. ¿Necesito un voltaje más alto para una mayor velocidad de reloj?
Sé que los PIC del Microchip tienen un gráfico de Voltaje vs Frecuencia. Hay un voltaje mínimo para que el chip funcione a baja frecuencia. Es una escala lineal para el voltaje máximo y la frecuencia máxima.
Robert
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@Nils, un voltaje más alto proporciona transiciones y estados más nítidos y menos ambiguos, y hace que sea más probable que un 1 se interprete como un 1 y no un 0. Y una frecuencia más alta hace que las transiciones sean menos cuadradas. Recuerde que las ondas cuadradas no existen.
quieres decir más cuadrado-ish
Nathan Fellman
1

Bueno, en energía eléctrica, hay dos tipos de energía, energía reactiva y energía real. Algunas personas llaman poder reactivo poder dinámico. El poder reactivo nunca se consume ni se pierde. Por ejemplo, si un condensador ideal está conectado a una fuente de voltaje de CA mediante cables ideales sin pérdidas, el condensador se cargará y descargará, tomando energía del generador en un ciclo y devolviendo energía al generador en el siguiente ciclo. La pérdida neta es cero.

Sin embargo, si los cables son no ideales y resistivos, entonces la energía se disipa en los cables durante la carga y descarga del condensador. Este poder disipado es una pérdida de potencia real y no se puede recuperar. A medida que aumenta la velocidad del reloj, aumenta la velocidad de carga y descarga, lo que aumenta la pérdida de energía en los cables.

Las puertas de los transistores se comportan como condensadores. A medida que aumenta la velocidad del reloj, se entrega más potencia reactiva a los condensadores. La fracción de la cual se pierde en los cables resistivos también aumenta.

Weng Cho
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Una cosa no mencionada hasta ahora: los chips se vuelven más rápidos y el proceso de litografía para hacerlos hace que los componentes sean más pequeños. Se han vuelto tan pequeños que tienen unos pocos átomos de ancho en algunos casos. Ahora hay una fuga de corriente significativa, que generalmente se disipa como calor.

Rich Homolka
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Para cambiar el estado de un circuito rápidamente se requiere más corriente que para cambiarlo lentamente. Para lograr esa corriente necesita un voltaje más alto y / o componentes más grandes y más sedientos de energía. Y, por supuesto, los componentes más grandes necesitan más corriente de accionamiento, lo que provoca un efecto de bola de nieve.

(Curiosamente, hubo un artículo en el último Scientific American (julio de 2011) que cubre este tema para el cerebro humano. Los mismos principios, y una forma en que el cerebro humano tiene más poder es dividir el cerebro en subprocesadores separados, por así decirlo.)

Daniel R Hicks
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