Почему выработка тепла увеличивается при увеличении тактовой частоты процессора?

3205
Nils

Вся дискуссия о многоядерности заставила меня задуматься

Гораздо проще произвести два ядра (в одном пакете), чем ускорить одно ядро ​​в два раза. Почему именно это? Я немного погуглил, но нашел в основном очень неточные ответы из-за чрезмерной тактовой частоты, которые не объясняют основную физику.

Кажется, что напряжение оказывает наибольшее влияние (квадратичное), но нужно ли мне запускать процессор при более высоком напряжении, если я хочу увеличить тактовую частоту? Также мне хотелось бы знать, почему именно (и сколько) тепла выделяет полупроводниковая схема, когда она работает с определенной тактовой частотой.

19
есть многоядерные дебаты? Я думал, что закон Мерфи закончился, и парни из архива не могли найти ничего другого, что можно было бы сделать. 13 лет назад 0
Закон Мура. Закон Мерфи закончится только в самый неподходящий момент. :-) O. Jones 13 лет назад 7
Однако в комментарии Гэри есть доля правды. В этот момент количество транзисторов достаточно велико, чтобы для более крупных процессоров разработчики могли поставить «все» на кристалл вместо необходимости выбирать, и добавление кэш-памяти в конечном итоге приводит к уменьшению отдачи. Рост на 10-20% с новыми архитектурами показывает, что разработчикам все еще удается настроить производительность, но, вероятно, не осталось ничего революционного, что можно было бы реализовать, если бы было больше доступных транзисторов. Dan Neely 13 лет назад 0

7 ответов на вопрос

33
Nathan Fellman

Каждый раз, когда тикают часы, вы заряжаете или разряжаете группу конденсаторов. Энергия для зарядки конденсатора составляет:

E = 1/2*C*V^2

Где Cемкость и Vнапряжение, до которого она была заряжена.

Если ваша частота равна f[Hz], то у вас есть fциклы в секунду, и ваша мощность:

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

Вот почему мощность возрастает линейно с частотой.

Вы можете видеть, что оно растет квадратично с напряжением. Из-за этого вы всегда хотите работать при минимально возможном напряжении. Однако, если вы хотите поднять частоту, вам также нужно поднять напряжение, потому что более высокие частоты требуют более высоких рабочих напряжений, поэтому напряжение возрастает линейно с частотой.

По этой причине сила возрастает как f^3(или как V^3).

Теперь, когда вы увеличиваете количество ядер, вы в основном увеличиваете емкость C. Это не зависит от напряжения и частоты, поэтому мощность возрастает линейно с C. Вот почему энергоэффективнее увеличить количество ядер, чем увеличить частоту.

Зачем вам нужно увеличивать напряжение, чтобы увеличить частоту? Ну, напряжение на конденсаторе изменяется в зависимости от:

dV/dt = I/C

где Iток. Таким образом, чем выше ток, тем быстрее вы можете зарядить емкость затвора транзистора до его напряжения «включено» (напряжение «включено» не зависит от рабочего напряжения), и тем быстрее вы сможете включить транзистор. Ток растет линейно с рабочим напряжением. Вот почему вам нужно увеличить напряжение, чтобы увеличить частоту.

на процессоре нет конденсаторов? это использует SRAM, который является просто транзисторами в конфигурации защелки. 13 лет назад 0
Транзисторы имеют динамическую емкость. Чтобы «открыть» транзистор, нужно зарядить его затвор-емкость. Nathan Fellman 13 лет назад 7
ах, все же, это отличается от тока утечки? Я не слишком углубился в аналог :-). И емкость не будет отображаться как тепло, только ток через импеданс затвора, верно? 13 лет назад 0
Я даже не впал в утечку, но это работает примерно так же. Это больше похоже на резистор и меньше на конденсатор, поэтому он потребляет энергию на основе v ^ 2 / r на той же частоте f. Nathan Fellman 13 лет назад 1
Я все еще думаю, что винить емкость, как вы описываете, непонятно, потому что идеальные конденсаторы - это просто запас энергии и не будут выделять тепло. 13 лет назад 0
И полупроводниковые транзисторы работают так же, как диэлектрические транзисторы? 13 лет назад 0
Ты не прав. Это 100% о емкости. Емкость заряжается и разряжается через сопротивление истока-стока, которое определенно * не * утечка, но потребляет энергию, которую вы потратили на зарядку и разрядку конденсаторов. Кроме того, не то чтобы это не идеальные конденсаторы в любом случае. Во-первых, конденсаторы реального мира, во-вторых, конденсаторы MOS, поведение которых сильно отличается от обычных конденсаторов, хотя бы потому, что их емкость зависит от текущего напряжения. Nathan Fellman 13 лет назад 1
@ Nils, спасибо, я забыл, что термин «диэлектрические» конденсаторы. Nathan Fellman 13 лет назад 0
Я знаю, что ошибаюсь в некоторых вещах, но я точно знаю, что емкость не имеет ничего общего с преобразованием тепла. Конденсаторы делают, но емкость не делает :-). Если это чистая емкость, то энергия для зарядки не имеет ничего общего с тем, что теряется в виде тепла, за исключением случаев, когда источник питания имеет импеданс, в котором вы не виноваты. Вы обвиняете емкость. Итак, я могу сказать, что вы знаете, о чем вы говорите, и знаете аналог лучше, чем я, но я просто думаю, что вы могли бы быть более ясным, тем более что тот, кто задает вопрос, знает не так много, как вы. 13 лет назад 0
хорошо ... емкость не имеет ничего общего с преобразованием тепла, но она имеет отношение к потреблению энергии, потому что вам нужно вложить 1 / 2CV ^ 2 для зарядки конденсатора. Эта энергия исходит от некоторого источника питания, поэтому каждый раз, когда вы заряжаете конденсатор, вы тратите 1 / 2CV ^ 2 от этого источника. Ничто не мешает этому источнику нагреваться. * Емкость * сама по себе не виновата. Окружающая среда, в которой находится конденсатор, * виновата. Nathan Fellman 13 лет назад 3
«Однако, если вы хотите поднять частоту, вам также нужно поднять напряжение, потому что более высокие частоты требуют более высоких рабочих напряжений, поэтому напряжение возрастает линейно с частотой». Хотя это верно в абстрактном виде, напряжения по умолчанию на большинстве процессоров установлены консервативно, так что вы часто можете получить приличный OC, прежде чем повышать напряжение. Кроме того, по моему опыту с агрессивным OCing, большая часть общего перенапряжения приходится на последние несколько сотен полученных МГц, и что кривая отклика не линейна, поскольку приближается к пределу стабильности. Dan Neely 13 лет назад 0
@ Дан, это не обязательно правда. Технология Speedstep позволяет платформе устанавливать напряжение на минимально возможное значение, исходя из текущей частоты. Это особенно актуально для ноутбуков ULV и блейд-серверов. Кроме того, я говорю о физике этого. Тот факт, что производители устанавливают напряжение консервативно, не меняет его. В таких системах настройка по умолчанию несколько расточительна. Nathan Fellman 13 лет назад 0
AFAIK the speedstep values are equally conservative; running 24 hour burn tests at each multiplier/voltage stop would be prohibitively expensive so they set universal values that are good for 99.9...% of chips that pass whatever quick test they perform while binning the chips. I was commenting on the fact that in the real world the default settings will let you get a decent overclock at stock voltage, a decent undervolt at stock speeds, or operate with bad airflow in a hot room without failure. Dan Neely 13 лет назад 0
@Gary Вы обвиняете емкость, потому что тепло зависит от емкости. Скажем, вам нужно поднять напряжение на транзисторе с 0,2 В до 0,75 В за одну миллиардную долю секунды от источника 0,9 В. Мощность, которую вы используете для этого, линейно зависит от сопротивления, через которое должен пройти ток, и емкости затвора. Если емкость равна нулю, ток не должен протекать через сопротивление. David Schwartz 9 лет назад 1
6
Guillaume

Очень в основном:

  • Транзистор переключается быстрее, когда вы подаете на него больше напряжения.
  • современные микросхемы потребляют большую часть энергии при переходе из одного состояния в другое (на тактовой частоте), но не потребляют энергии, чтобы оставаться в том же состоянии (ну, есть утечка, поэтому не совсем нет питания), поэтому чем быстрее вы переключаетесь, тем Чем больше у вас переключений в секунду, тем больше энергии вы потребляете.

Очень хорошая книга по всем деталям архитектуры процессора: организация и дизайн компьютеров Дэвида А. Паттерсона, Джона Л. Хеннесси.

Это классическая книга. 13 лет назад 0
это губернатор штата Нью-Йорк? Nathan Fellman 13 лет назад 0
5
gtrak

Каждый раз, когда транзистор переключает состояние, ток расходуется. Более высокая частота означает более быстрое переключение, больший ток теряется. И сопротивление всего превращает его в тепло. P = I ^ 2 * R и все такое. И Р это V ^ 2 / R. В этом случае, однако, вы бы действительно хотели, чтобы среднее значение V и I со временем можно было рассчитать, и оно было бы квадратичным по отношению к напряжению и току.

Утечка менее значительна, чем фактическая мощность переключения. Nathan Fellman 13 лет назад 0
извините, я изменю «утечка» на «впустую» 13 лет назад 0
«И сопротивление всего превращает его в тепло» - фактически, а не сопротивление. Просто сопротивление. Мнимые части импеданса не преобразуются в тепло. Nathan Fellman 8 лет назад 0
2
Robert

1) два ядра против ускорения одного ядра
Чтобы ускорить одно ядро, вам нужна новая технология для ускорения переключения транзисторов из одного состояния в другое. Чтобы добавить еще одно ядро, вам просто нужно больше таких же транзисторов.

2) Тепло
Рассеиваемая мощность находится в форме тепла. Мощность = Напряжение * Ток. Напряжение = сопротивление * ток. Мощность = Напряжение ^ 2 / Сопротивление. Таким образом, тепловыделение пропорционально квадрату напряжения.

Да, я знаю, что тепло увеличивается квадратично с напряжением, что я не понимаю, какое влияние напряжение оказывает на тактовую частоту? Нужно ли более высокое напряжение для более высокой тактовой частоты? 13 лет назад 0
Я знаю, что на микросхемах PIC есть график зависимости напряжения от частоты. Там минимальное напряжение, которое чип будет работать на низкой частоте. Это линейная шкала с максимальным напряжением и максимальной частотой. Robert 13 лет назад 0
@Nils, более высокое напряжение дает более четкие и менее неоднозначные переходы и состояния и повышает вероятность того, что 1 будет интерпретироваться как 1, а не 0. А более высокая частота делает переходы менее квадратными. Помните, что прямоугольных волн не существует. 13 лет назад 2
ты имеешь в виду более квадратный Nathan Fellman 13 лет назад 0
1
Weng Cho

Ну, в электрической энергии есть два вида мощности: реактивная мощность и реальная мощность. Некоторые люди называют реактивную мощность динамической силой. Реактивная мощность никогда не расходуется и не теряется. Например, если идеальный конденсатор подключен к источнику переменного напряжения идеальными проводами без потерь, конденсатор будет заряжаться и разряжаться, отбирая энергию у генератора за один цикл и возвращая энергию к генератору в следующем цикле. Чистый убыток равен нулю.

Однако, если провода неидеальны и резистивны, энергия рассеивается в проводах во время зарядки и разрядки конденсатора. Эта рассеиваемая мощность является реальной потерей мощности и не может быть восстановлена. Когда тактовая частота увеличивается, скорость зарядки и разрядки увеличивается, увеличивая потери в проводах.

Затворы транзисторов ведут себя как конденсаторы. По мере увеличения тактовой частоты на конденсаторы поступает больше реактивной мощности. Доля которых теряется в резистивных проводах, также возрастает.

0
Rich Homolka

Одна вещь, не упомянутая до сих пор - чипы становятся быстрее, а процесс литографии, делающий их, делает компоненты меньше. Они стали настолько маленькими, что в некоторых случаях их ширина составляет несколько атомов. В настоящее время происходит значительная утечка тока, которая обычно рассеивается в виде тепла.

0
Daniel R Hicks

Для быстрого переключения состояния цепи требуется больший ток, чем для медленного переключения. Для достижения этого тока вам необходимо более высокое напряжение и / или более крупные компоненты, требующие большей мощности. И, конечно же, более крупные компоненты нуждаются в большем токе привода, вызывая эффект снежного кома.

(Интересно, что в последнем журнале Scientific American (июль 2011 г.) была статья, посвященная этой теме для человеческого мозга. Те же принципы, и один из способов, которым человеческий мозг обладает большей мощностью, - это разделить мозг на отдельные подпроцессоры, так сказать.)

Похожие вопросы