CPU의 클럭 속도가 증가함에 따라 열 생성이 증가하는 이유는 무엇입니까?

멀티 코어 토론 전체에 대해 생각하게되었습니다.

하나의 패키지에 두 개의 코어를 생성 한 다음 하나의 코어 속도를 2 배 빠르게 만드는 것이 훨씬 쉽습니다. 왜 이것이 정확히입니까? 나는 조금 구글 검색을했지만 기본 물리학을 설명하지 않는 오버 클러킹 보드에서 대부분 매우 부정확 한 답변을 발견했습니다.

전압이 가장 큰 영향을 미치는 것처럼 보이지만 (클래식)보다 빠른 클럭 속도를 원하면 CPU를 더 높은 전압에서 실행해야합니까? 또한 반도체 회로가 특정 클럭 속도로 작동 할 때 정확히 (그리고 얼마나 많은) 열이 발생하는지 알고 싶습니다.

클럭이 틱될 때마다 많은 커패시터를 충전 또는 방전합니다. 커패시터 충전을위한 에너지는 다음과 같습니다.

E = 1/2*C*V^2

C커패시턴스가 어디에 있으며 그 커패시턴스 V가 충전 된 전압입니다.

주파수가 f[Hz]인 경우 f초당주기가 있고 힘은 다음과 같습니다.

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

그렇기 때문에 전력이 주파수에 따라 선형으로 올라갑니다.

전압과 함께 2 차적으로 올라가는 것을 볼 수 있습니다. 이 때문에 항상 가능한 가장 낮은 전압에서 실행하려고합니다. 그러나 주파수를 높이려면 더 높은 작동 전압이 필요하므로 전압과 주파수가 선형으로 상승하기 때문에 전압도 높여야합니다.

이러한 이유로 전력이 f^3(또는 유사 V^3) 상승 합니다.

이제 코어 수를 늘리면 기본적으로 정전 용량이 증가합니다 C. 이것은 전압 및 주파수와 무관하므로 전력은로 선형 적으로 상승 C합니다. 주파수를 증가시키는 코어 수를 늘리는 것이 전력 효율이 더 높은 이유입니다.

주파수를 높이려면 왜 전압을 높여야합니까? 커패시터의 전압은 다음에 따라 변경됩니다.

dV/dt = I/C

I현재는 어디에 있습니까 ? 따라서 전류가 높을수록 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 "온"전압 ( "온"전압은 작동 전압에 의존하지 않음)으로 빠르게 충전 할 수 있으며 트랜지스터를 더 빠르게 켤 수 있습니다. 작동 전압에 따라 전류가 선형으로 상승합니다. 그래서 주파수를 높이려면 전압을 높여야합니다.

매우 기본적으로 :

• 더 많은 전압을 적용하면 트랜지스터가 더 빨리 전환됩니다.
• 최신 IC는 한 상태에서 다음 상태 (클럭 틱)로 스와핑 할 때 대부분의 전력을 소비하지만 동일한 상태를 유지하기 위해 전력을 소비하지 않습니다 (음, 누설이 없으므로 전력이 정확히 없음). 초당 스위치가 많을수록 더 많은 전력을 소비합니다.

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트랜지스터가 상태를 전환 할 때마다 전류가 소비됩니다. 더 높은 주파수는 더 빠른 스위칭, 더 많은 전류 낭비를 의미합니다. 그리고 모든 것의 임피던스는 그것을 열로 변환합니다. P = I ^ 2 * R 및 그 모든 것. 그리고 P는 V ^ 2 / R입니다. 이 경우 시간이 지남에 따라 평균 V와 I를 계산할 수 있기를 원할 것입니다. 전압과 전류 모두 2 차적입니다.

1) 두 개의 코어와 하나의 코어
속도 향상 하나의 코어 속도를 높이려면 한 상태에서 다른 상태로 전환하는 트랜지스터의 속도를 높이는 새로운 기술이 필요합니다. 다른 코어를 추가하려면 동일한 트랜지스터가 더 필요합니다.

2) 열
전력 손실은 열 형태입니다. 전력 = 전압 * 전류. 전압 = 저항 * 전류. 전력 = 전압 ^ 2 / 저항. 따라서 방출되는 열은 전압의 제곱에 비례합니다.

전력에는 무효 전력과 실제 전력의 두 가지 전력이 있습니다. 어떤 사람들은 무효 전력 동적 전력을 부릅니다. 무효 전력은 절대로 소비되거나 손실되지 않습니다. 예를 들어, 이상적인 커패시터가 이상적인 무손실 와이어로 AC 전압 소스에 연결되면 커패시터는 한 사이클에서 발전기에서 에너지를 취하고 다음 사이클에서 발전기로 에너지를 반환하여 충전 및 방전됩니다. 순 손실은 0입니다.

그러나, 와이어가 비 이상적이고 저항성이라면, 커패시터의 충전 및 방전 동안 와이어에서 에너지가 소산된다. 이 손실 된 전력은 실제 전력 손실이며 복구 할 수 없습니다. 클럭 속도가 증가함에 따라 충전 및 방전 속도가 증가하여 전선의 전력 손실이 증가합니다.

트랜지스터의 게이트는 커패시터처럼 동작합니다. 클럭 속도가 증가함에 따라 더 많은 무효 전력이 커패시터에 전달됩니다. 저항 와이어에서 손실되는 부분도 증가합니다.

지금까지 언급되지 않은 한 가지-칩이 더 빨라지고 리소그래피 프로세스는 부품을 더 작게 만듭니다. 그들은 너무 작아서 어떤 경우에는 몇 개의 원자 폭을 가지고 있습니다. 현재 상당한 전류 누출이 발생하여 일반적으로 열로 소산됩니다.

회로 상태를 빠르게 전환하려면 천천히 전환하는 것보다 더 많은 전류가 필요합니다. 이 전류를 달성하려면 더 높은 전압 및 / 또는 더 큰 전력 목 마른 구성 요소가 필요합니다. 물론 더 큰 부품은 더 많은 구동 전류가 필요하므로 눈덩이 효과가 발생합니다.

(흥미롭게도, 최신 Scientific American (2011 년 7 월)에는 인간 두뇌를위한이 주제를 다루는 기사가있었습니다. 동일한 원리와 인간 두뇌가 더 많은 힘을 채우는 한 가지 방법은 두뇌를 분할하여 하위 프로세서를 분리하는 것입니다. 말하자면.)