Dlaczego procesor się nagrzewa?

Chciałbym zrozumieć, w jaki sposób proces obliczeniowy powoduje, że procesor się nagrzewa. Rozumiem, że ciepło jest wytwarzane przez tranzystory.

1. Jak tranzystory dokładnie wytwarzają ciepło?
2. Czy korelacja między liczbą zrębków a wytwarzanym ciepłem jest liniowa?
3. Czy producenci procesorów optymalizują pozycje pojedynczych tranzystorów, aby zminimalizować wytwarzane ciepło?

Tranzystor (FET, w nowoczesnych układach scalonych) nigdy nie przełącza się natychmiast z pełnego wyłączenia do pełnego włączenia. Jest pewien okres, w którym włącza się lub wyłącza, w którym FET działa jak rezystor (nawet gdy jest w pełni WŁĄCZONY, nadal ma rezystancję).

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

Im bardziej tranzystory się przełączają, tym więcej czasu spędzają w tym stanie rezystancyjnym, tym więcej wytwarzają ciepła. Tak więc ilość wytwarzanego ciepła może być wprost proporcjonalna do liczby tranzystorów - ale zależy również od tego, które tranzystory robią co i kiedy, i to zależy od tego, co ma zrobić chip.

Tak, producenci mogą umieszczać określone bloki swojego projektu (nie poszczególne tranzystory, ale bloki, które tworzą pełną funkcję) w niektórych obszarach, w zależności od ciepła, które blok może wytwarzać - albo w celu umieszczenia go w miejscu o lepszym wiązaniu ciepła, albo w celu umieszczenia z dala od innego bloku, który może generować ciepło. Muszą także wziąć pod uwagę rozkład mocy w układzie, więc dowolne umieszczanie bloków może nie zawsze być możliwe, więc muszą dojść do kompromisu.

Cały przepływ prądu we wszystkim, co nie jest nadprzewodnikiem, wytwarza ciepło. W wiórach płynie głównie w aluminiowych warstwach „metalowych” (jak się okazuje miedź? Paskudna chemiczna interakcja z innymi częściami krzemu).

Co powoduje przepływ prądu? Za każdym razem, gdy tranzystor zmienia stan, można go modelować jako kondensator (bramkę FET napędzanej bramki logicznej plus pojemność pasożytniczego drutu) ładującą / rozładowującą przez przewód i wyjściowy FET poprzedniej bramki. Jest to moc „przełączająca” lub „dynamiczna”. Jest proporcjonalny do prędkości przełączania i kwadratu napięcia; stąd napęd od 5 V do 3,3 V do 1,8 V dla lepszej wydajności.

Izolatory nie są idealne, aw niektórych miejscach są bardzo cienkie. Tranzystory mogą nie być całkowicie „wyłączone”. Jeśli tranzystor polowy ma rezystancję wyłączającą megaomów, a ty umieścisz ich milion równolegle, to wygląda jak rezystor 1 om. To jest moc „wycieku”. Jest proporcjonalny do liczby tranzystorów.

Przez dekadę pracowałem przy starcie nad optymalizacją mocy. :) Istnieje wiele technik: kompromisy prędkości / wycieku („metalowa bramka high”), całkowite wyłączenie części obwodu, bramkowanie zegara, zmniejszenie częstotliwości zegara, zmiana rozmiaru i umiejscowienie.

1) Za każdym razem, gdy występuje przepływ prądu, ciepło powstaje w wyniku zderzeń elektronów. 2) Tak, ogólnie korelacja jest liniowa. 3) Jest mało prawdopodobne, aby producenci procesorów optymalizowali położenie poszczególnych tranzystorów, aby zminimalizować wytwarzane ciepło (wszystkie są w tej samej obudowie).
Gdy procesor jest „bezczynny”, chociaż zużywa minimalną ilość prądu, wytwarza ciepło. Gdy procesor zaczyna „przetwarzać” informacje, poszczególne tranzystory przełączają stany. To przełączanie generuje również ciepło. Ponadto częstotliwość przełączania wpływa na szybkość wytwarzania ciepła, im wyższa częstotliwość, tym wyższa prędkość wytwarzania ciepła. Ponieważ zdolność rozpraszania ciepła przez układ jest stała, może on się przegrzewać, jeśli będzie działał z większą częstotliwością niż została zaprojektowana.

proste jest to, że wiemy, że zgodnie z prawem w dżulach, ilekroć elektron przepływa przez przewodnik, ciepło wytwarzane z powodu rezystancji materiału, ponieważ każdy przewodnik ma w sobie pewną rezystancję.