Por que a produção de calor aumenta à medida que a taxa de clock de uma CPU aumenta?

Todo o debate multinúcleo me fez pensar.

É muito mais fácil produzir dois núcleos (em um pacote) do que acelerar um núcleo por um fator de dois. Por que exatamente é isso? Pesquisei um pouco no Google, mas encontrei respostas muito imprecisas de quadros de ponto que não explicam a Física subjacente.

A tensão parece ter o maior impacto (quadrático), mas preciso executar uma CPU em uma tensão mais alta se quiser uma taxa de clock mais rápida? Também gosto de saber por que exatamente (e quanto) o calor que um circuito semicondutor produz quando funciona a uma certa velocidade de clock.

Cada vez que o relógio bate, você está carregando ou descarregando vários capacitores. A energia para carregar um capacitor é:

E = 1/2*C*V^2

Onde Cestá a capacitância e Va tensão na qual foi carregada.

Se a sua frequência for f[Hz], você terá fciclos por segundo e sua potência será:

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

É por isso que a potência aumenta linearmente com a frequência.

Você pode ver que sobe quadraticamente com a tensão. Por isso, você sempre deseja executar a tensão mais baixa possível. No entanto, se você deseja aumentar a frequência, também precisa aumentar a tensão, porque frequências mais altas exigem tensões operacionais mais altas, de modo que a tensão aumenta linearmente com a frequência.

Por esse motivo, o poder aumenta como f^3(ou como V^3).

Agora, quando você aumenta o número de núcleos, basicamente aumenta a capacitância C. Isso é independente da tensão e da frequência, portanto a potência aumenta linearmente comC . É por isso que é mais eficiente em termos de energia aumentar o número de núcleos do que aumentar a frequência.

Por que você precisa aumentar a tensão para aumentar a frequência? Bem, a tensão de um capacitor muda de acordo com:

dV/dt = I/C

onde Iestá a corrente Portanto, quanto maior a corrente, mais rápido você pode carregar a capacitância do gate do transistor na sua tensão "on" (a tensão "on" não depende da tensão operacional) e mais rápido você pode ligar o transistor. A corrente aumenta linearmente com a tensão operacional. É por isso que você precisa aumentar a tensão para aumentar a frequência.

Muito basicamente:

• Um transistor muda mais rapidamente quando você aplica mais tensão a ele.
• O CI moderno consome mais energia ao mudar de um estado para o outro (no relógio), mas não consome energia para permanecer no mesmo estado (bem, há vazamento, portanto não exatamente energia), portanto, quanto mais rápido você alternar, mais quanto mais interruptores por segundo você tiver, mais energia você consome.

Um livro muito bom sobre todos os detalhes da arquitetura do processador: Organização e design de computadores por David A. Patterson, John L. Hennessy.

Toda vez que um transistor muda de estado, a corrente é gasta. Maior frequência significa comutação mais rápida, mais perda de corrente. E a impedância de tudo o converte em calor. P = I ^ 2 * R e tudo isso. E P é V ^ 2 / R. Nesse caso, porém, você realmente gostaria que o V e eu médio ao longo do tempo pudessem calcular, e seria quadrático em relação à tensão e à corrente.

1) dois núcleos versus aceleração de um núcleo
Para acelerar um núcleo, é necessária uma nova tecnologia para acelerar os transistores que alternam de um estado para outro. Para adicionar outro núcleo, você só precisa de mais dos mesmos transistores.

2) Calor
A dissipação de energia está na forma de calor. Potência = Tensão * Corrente. Tensão = Resistência * Corrente. Potência = tensão ^ 2 / resistência. Portanto, o calor dissipado é proporcional à voltagem ao quadrado.

Bem, na energia elétrica, existem dois tipos de energia, potência reativa e potência real. Algumas pessoas chamam de poder reativo de poder dinâmico. A energia reativa nunca é consumida ou perdida. Por exemplo, se um capacitor ideal estiver conectado a uma fonte de tensão CA por fios sem perdas ideais, o capacitor será carregado e descarregado, retirando energia do gerador em um ciclo e devolvendo energia ao gerador no próximo ciclo. A perda líquida é zero.

No entanto, se os fios forem não ideais e resistivos, a energia é dissipada nos fios durante a carga e descarga do capacitor. Essa energia dissipada é uma perda real de energia e não pode ser recuperada. À medida que a freqüência do relógio aumenta, a taxa de carga e descarga aumenta, aumentando a perda de energia nos fios.

Os portões dos transistores se comportam como capacitores. À medida que a taxa de clock aumenta, mais energia reativa é fornecida aos capacitores. A fração perdida nos fios resistivos também aumenta.

Uma coisa que não foi mencionada até agora - os chips ficam mais rápidos e o processo de litografia para torná-los diminui os componentes. Eles ficaram tão pequenos que, em alguns casos, têm alguns átomos de largura. Agora há um vazamento significativo de corrente, que geralmente é dissipado como calor.

Mudar o estado de um circuito rapidamente requer mais corrente do que mudá-lo lentamente. Para atingir essa corrente, você precisa de uma voltagem mais alta e / ou componentes maiores e com muita energia. E, é claro, componentes maiores precisam de mais corrente de acionamento, causando um efeito de bola de neve.

(Interessantemente, houve um artigo no Scientific American (julho de 2011) mais recente que aborda esse tópico para o cérebro humano. Os mesmos princípios e uma maneira de o cérebro humano ter mais poder é particionar o cérebro para separar subprocessadores, por assim dizer.)