Por que as CPUs precisam de tanta corrente?

Eu sei que uma CPU simples (como Intel ou AMD) pode consumir 45-140 W e que muitas CPUs operam em 1,2 V, 1,25 V, etc.

Portanto, supondo que uma CPU opere em 1,25 V e tenha TDP de 80 W ... ela usa 64 Amps (muitos amps).

Por que uma CPU precisa de mais de 1 A em seu circuito (assumindo transistores FinFET)? Eu sei que na maioria das vezes a CPU está ociosa e os 60 A são todos "pulsos" porque a CPU possui um relógio, mas por que uma CPU não pode operar a 1 V e 1 A?
Um transistor FinFET pequeno e rápido, por exemplo: 14 nm operando a 3,0 GHz precisa de quantos amplificadores (aproximadamente)?
Correntes mais altas fazem com que os transistores sejam ligados e / ou desligados mais rapidamente?

— Leonardo Bosquett
fonte

As CPUs modernas (nenhuma das quais é 'simples') requerem vários trilhos de tensão, todos com seus próprios requisitos de energia. Sua pergunta faz muitas suposições e tem muitas declarações erradas. Você deve considerar todos os requisitos de energia e não apenas os de um único trilho.

— Wossname 19/09/16

Faça um transistor FinFET contar com uma CPU moderna. Nem todo FET conduz corrente de Vdd para terra, mas mesmo assim 64 A é distribuído por * um número muito grande * desses FETs de comutação.

— glen_geek

@EricLippert "teria que estar puxando 64 ampères para fora da parede" - Eu tenho uma suspeita de que a CPU não estaria operando em 110 V.

— Andrew Morton

A quantidade conservada é energia e, em média, também energia. Se uma CPU consome 64 Watt, a fonte de alimentação deve consumir pelo menos 64 Watt do soquete. Isso é <1A, mesmo em 110V.

— precisa saber é o seguinte

@EricLippert A placa-mãe do seu computador contém um conversor multifásico de CC para CC que reduz a tensão de alimentação (12V no caso de um desktop, provavelmente 12-19V no caso de um laptop) até a tensão de alimentação principal. Isso é feito com POWER constante, de modo que a corrente de saída acaba sendo de 10 a 20 vezes a corrente de entrada. Sem mencionar que a fonte de 12V em um computador de mesa também vem de uma fonte de alimentação comutada que também se converte em energia constante. A CPU do seu computador provavelmente possui pelo menos 100 pinos de energia e terra para lidar com a corrente.

— alex.forencich

Respostas:

As CPUs não são "simples" por qualquer extensão da imaginação. Como eles têm alguns bilhões de transistores, cada um deles terá um pequeno vazamento em modo inativo e precisará carregar e descarregar a porta e interconectar a capacitância em outros transistores ao alternar. Sim, cada um consome uma pequena corrente, mas quando você multiplica isso pelo número de transistores, você acaba com um número surpreendentemente grande. 64A já é uma corrente média ... ao alternar, os transistores podem consumir muito mais do que a média, e isso é suavizado pelos capacitores de derivação. Lembre-se de que o seu número de 64A veio do retrocesso do TDP, tornando-o realmente 64A RMS, e pode haver uma variação significativa em torno dessa escala em muitas escalas de tempo (variação durante um ciclo de relógio, variação durante operações diferentes, variação entre estados de sono etc.) ) Além disso, você pode se safar da execução de uma CPU projetada para operar em 3 GHz em 1,2 volts e 64 amperes em 1 volt e 1 amp ... apenas talvez em 3 MHz. Embora nesse momento você tenha que se preocupar se o chip usa lógica dinâmica que possui uma frequência de clock mínima, talvez seja necessário executá-lo entre algumas centenas de MHz a um GHz e alterná-lo em sono profundo periodicamente para obter a média corrente inativa. A linha inferior é que poder = desempenho. O desempenho da maioria das CPUs modernas é realmente limitado termicamente. então talvez você precise executá-lo em algumas centenas de MHz a um GHz e alterná-lo em sono profundo periodicamente para diminuir a corrente média. A linha inferior é que poder = desempenho. O desempenho da maioria das CPUs modernas é realmente limitado termicamente. então talvez você precise executá-lo em algumas centenas de MHz a um GHz e alterná-lo em sono profundo periodicamente para diminuir a corrente média. A linha inferior é que poder = desempenho. O desempenho da maioria das CPUs modernas é realmente limitado termicamente.
$I = C v \alpha f$ $I$ $C$ $v$ $\alpha$ $f$
Tipo de. Quanto mais rápida a capacitância do gate for carregada ou descarregada, mais rápido o transistor será comutado. O carregamento mais rápido requer uma capacitância menor (determinada pela geometria) ou uma corrente maior (determinada pela resistência da interconexão e tensão de alimentação). Os transistores individuais que trocam mais rápido do que isso significa que eles podem mudar com mais frequência, o que resulta em um consumo de corrente mais médio (proporcional à frequência do relógio).

Edit: so http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf tem uma figura para a capacitância de porta de um FinFET de 25nm. Vou chamá-lo de 0,1 fF para manter as coisas simples. Aparentemente, varia de acordo com a tensão de polarização e certamente varia de acordo com o tamanho do transistor (os transistores são dimensionados de acordo com sua finalidade no circuito, nem todos os transistores terão o mesmo tamanho! Os transistores maiores são 'mais fortes', pois podem alternar mais corrente, mas eles também têm maior capacitância de porta e requerem mais corrente para acionar).

$\alpha = 1$ $0.375 \mu A$ . Multiplique isso por 1 bilhão e você obtém 375 A. Essa é a corrente média exigida do gate (carga por segundo na capacitância do gate) para alternar 1 bilhão desses transistores a 3 GHz. Isso não conta 'disparar', o que ocorrerá durante a alternância na lógica do CMOS. Também é uma média, portanto a corrente instantânea pode variar muito - pense em como a corrente diminui assintoticamente à medida que um circuito RC é carregado. Ignore capacitores no substrato, pacote e placa de circuito com suavizar essa variação. Obviamente, esta é apenas uma figura aproximada, mas parece ser a ordem certa de magnitude. Isso também não considera corrente de fuga ou carga armazenada em outros parasitas (por exemplo, fiação).

$\alpha$ $\alpha = 1$ $\alpha$ $\alpha = 0.25$ $\alpha$ $\alpha = 0.000061$ $\alpha$ . Por isso, o consumo de energia da memória cache geralmente é dominado pelo vazamento de corrente - ou seja, MUITOS transistores ociosos apenas ficam vazando ao invés de alternar.

— alex.forencich
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1V 1A não é um alvo estranho, os processadores ARM são comumente especificados como mW / MHz. Como comparação, todo o Raspberry Pi A + usa 1Watt, incluindo uma CPU de 700 Mhz - muito mais do que os escassos 3Mhz sugeridos

— MSalters

É mais útil consultar "MIPS por watt", pois a quantidade de trabalho realizado por ciclo de clock varia muito.

— Pjc50

Bem, isso depende do que o chip foi projetado para fazer. Um chip com um TDP de 80W, projetado para rodar em 3 GHz a 1,2 volts, talvez funcione em 1V e 1A ... mas em 1V, você terá que diminuir significativamente a velocidade e conseguir desenhar 1A. terá que diminuir ainda mais a velocidade. Você não chegará nem perto de 3 GHz nesse caso. Não tenho idéia do que você realmente conseguiria, pois eu mesmo não tentei. Talvez 3 MHz seja um pouco pessimista para um i7 a 1V e 1A. Agora, certamente é possível projetar um chip para rodar nesse nível de potência, como você mencionou.

— alex.forencich

Eles não são simples. Na verdade, eles são uma das coisas mais complexas que já construímos.

— Joojaa 20/09/16

As CPUs modernas Intel / AMD usam pelo menos alguma lógica dinâmica que na verdade falharia em funcionar se tivesse um tempo muito baixo . O Intel Skylake (por exemplo) possui um ponto de frequência / tensão eficiente mínimo. Para atingir níveis ainda mais baixos de energia / taxa de transferência para o SoC, ele ativa e desativa o núcleo em um ciclo de trabalho variável (> = 800us a talvez ~ 1 GHz (f mais eficiente), permaneça no sono). Veja a palestra sobre poder-mgmt do IDF2015 de Efraim Rotem, em aproximadamente 53 minutos, em

— Peter Cordes

Segundo a Wikipedia , as principais CPUs lançadas em 2011 tinham de 0,5 a 2,5 bilhões de transistores. Supondo que uma CPU com 1 bilhão de transistores consome 64A de corrente, a corrente média é de apenas 64nA por transistor. Considerando frequências de operação de vários GHz, é surpreendentemente pouco.

— Dmitry Grigoryev
fonte

Para uma maior frequência operacional da CPU, é necessária uma corrente mais alta?

— Lu Ka

I \approx I_{0} + k f_{C} V^{2}

$I \approx I_0 + kf_CV^2$

Nesse ponto, podemos colocar mais transistores em uma CPU do que podemos usar ao mesmo tempo sem derreter. Portanto, a qualquer momento, uma grande fração do chip é o Dark Silicon : não é ligado, mas fica parado esperando para ser usado enquanto outras partes do chip (com diferentes funções especializadas) são desligadas. por exemplo, o hardware de ponto flutuante do vetor, os multiplicadores de números inteiros do vetor e as unidades de reprodução aleatória do vetor não podem ser saturados de uma só vez, mas cada um deles tem alta taxa de transferência quando usado sozinho. Além disso, caches grandes não mudam muito.

— Peter Cordes

Esse é um grande fator nas CPUs que ganham hardware cada vez mais especializado, como instruções de criptografia AES e SHA e no BMI2 da Intel (especialmente extração / depósito de bits PEXT / PDEP ). Algo a ver com o orçamento do transistor que pode acelerar algumas cargas de trabalho, mas não precisa ser ligado quando não estiver em uso.

— Peter Cordes