Por que um processador esquenta?

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Gostaria de entender como o processo de computação faz com que o processador esquente. Eu entendo que o calor é gerado pelos transistores.

Como os transistores geram exatamente o calor?
A correlação entre o número de chips e o calor gerado é linear?
Os fabricantes de CPU otimizam as posições dos transistores únicos para minimizar o calor gerado?

— sintagma
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A comutação de casos aquece e, portanto, a velocidade do relógio também tem uma relação direta com o calor gerado.

— Nidhin 17/03/2015

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Na prática, os chips reais esquentam devido ao movimento da eletricidade através de um condutor resistente, conforme observado nas respostas. Mas se esse assunto lhe interessa, você pode querer ler sobre como a criação de informações binárias requer necessariamente a criação de calor residual; Um ensaio bom que não requer um monte de física pode ser encontrada aqui plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

Não tenho a matemática para responder adequadamente (e elaborar o comentário de Eric), mas há implicações para essa questão na computação quântica e nos portões reversíveis . Existe "kT ln (2) de energia dissipada por operação irreversível de bit". Parte do princípio de Landauer . Se você tiver (A & B), isso tem duas entradas e uma saída. Essa informação que é perdida nesse processo tem que ir a algum lugar e se tornar entropia (calor) ... supondo que eu tenha entendido o suficiente para descrever isso.

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Um transistor (FET, nos CIs modernos) nunca muda instantaneamente de OFF completo para ON completo. Há um período enquanto ele liga ou desliga, onde o FET age como um resistor (mesmo quando totalmente ligado, ele ainda tem uma resistência).

$P=I^2R$ $P=\frac{V^2}{R}$

Quanto mais os transistores trocam, mais tempo passam nesse estado resistivo, mais calor eles geram. Portanto, a quantidade de calor gerado pode ser diretamente proporcional ao número de transistores - mas também depende de quais transistores estão fazendo o que e quando, e isso depende do que o chip está sendo instruído a fazer.

Sim, os fabricantes podem posicionar blocos específicos de seu projeto (não transistores individuais, mas blocos que formam uma função completa) em determinadas áreas, dependendo do calor que o bloco pode gerar - para colocá-lo em um local com melhor ligação térmica ou para colocar afaste-o de outro bloco que possa gerar calor. Eles também precisam levar em consideração a distribuição de energia dentro do chip; portanto, nem sempre é possível colocar blocos arbitrariamente; portanto, eles precisam se comprometer.

— Majenko
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Existem muitos fatores contribuintes para aquecer a produção em uma CPU. Só porque essa resposta não menciona a sua favorita não significa que ela esteja errada. Sugiro que, em vez de votar com respostas perfeitamente válidas, tente escrever sua própria resposta. Se for melhor que este, a comunidade decidirá e obterá mais votos.

— Majenko 20/03/2015

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Então, incline-o, dando às pessoas uma resposta melhor para colocar seus votos em vez dos meus.

— Majenko 20/03/2015

Eu irei, mas não terei tempo por um tempo (dias). Por enquanto, eu concordo que o calor é gerado por perdas resistivas. No entanto, não acho que sua resposta permita uma compreensão muito profunda.

— HKOB 20/03

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Todo o fluxo de corrente em qualquer coisa que não seja um supercondutor gera calor. Nos chips, ele flui principalmente nas camadas de "metal" de alumínio (por que não cobre? Interação química desagradável com outras partes do silício).

O que faz com que a corrente flua? Toda vez que um transistor muda de estado, ele pode ser modelado como um capacitor (a porta FET da porta lógica acionada mais capacitância de fio parasita) carregando / descarregando através do fio e FET de saída da porta anterior. Isso é "comutação" ou energia "dinâmica". É proporcional à velocidade de comutação e ao quadrado da tensão; daí a unidade de 5V a 3.3V a 1.8V para melhor eficiência.

Os isoladores não são perfeitos e, em alguns lugares, são muito finos. Os transistores podem não estar totalmente "desligados". Se um FET tem uma resistência de fora de um megaohm e você coloca um milhão deles em paralelo, parece um resistor de 1 ohm. Isso é poder de "vazamento". É proporcional ao número de transistores.

Passei uma década trabalhando em uma startup em otimização de energia. :) Existem muitas técnicas: trocas de velocidade / vazamento ("alto k metal gate"), desligando partes do circuito completamente, clock gating, redução da freqüência do relógio, dimensionamento e posicionamento.

— pjc50
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Microprocessadores de alta performance de hoje, na verdade, fazer uso interconexões de cobre, com camadas finas de outros metais para evitar a cobre a partir de reagir com silício. O alumínio ainda é usado em chips de processo menos complexos e maiores, pois é muito menos complicado trabalhar com ele.

— hobbs

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1) Sempre que houver fluxo de corrente, o calor é gerado pelas colisões dos elétrons. 2) Sim, geralmente, a correlação é linear. 3) É muito improvável que os fabricantes de CPU otimizem a posição de transistores individuais , para minimizar o calor gerado (todos eles estão dentro da mesma caixa).
Quando uma CPU está "inativa", embora use uma quantidade mínima de corrente, ela gera calor. À medida que o processador começa a "processar" as informações, os transistores individuais trocam de estado. Essa troca também gera calor. Além disso, a frequência de chaveamento afeta a taxa de geração de calor, quanto maior a frequência, maior a taxa de geração de calor. Como a capacidade de dissipação de calor do chip é fixa, ele pode superaquecer se for operado com uma frequência mais alta do que foi projetado para operar.

— Guill
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é simples, sabemos que, de acordo com a lei de Joules, sempre que o elétron flui através do condutor, o calor é produzido devido à resistência do material, porque todo condutor possui alguma resistência.

— Abhay
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