एक सीपीयू की घड़ी बढ़ने के साथ ही गर्मी का उत्पादन क्यों बढ़ जाता है?

Question

पूरी मल्टी-कोर बहस ने मुझे सोच में डाल दिया।

दो कोर (एक पैकेज में) का उत्पादन करना बहुत आसान है, फिर दो के एक कारक द्वारा एक कोर को तेज करना। आखिर ऐसा क्यों है? मैं थोड़ा गुदगुदाया, लेकिन ज्यादातर क्लॉकिंग बोर्ड्स से बहुत ही सटीक जवाब मिले, जो अंतर्निहित भौतिकी की व्याख्या नहीं करते हैं।

लगता है कि वोल्टेज का सबसे अधिक प्रभाव (द्विघात) है, लेकिन क्या मुझे उच्च वोल्टेज पर सीपीयू चलाने की आवश्यकता है अगर मुझे तेज घड़ी दर चाहिए? इसके अलावा मुझे यह जानना पसंद है कि वास्तव में (और कितना) हीट सेमीकंडक्टर सर्किट पैदा करता है जब यह एक निश्चित घड़ी की गति से चलता है।

Comments

एक बहु-कोर बहस है? मुझे लगा कि मर्फी का नियम खत्म हो गया है और कॉम्प आर्क लोगों को कुछ और करने को नहीं मिला।

मूर की विधि। मर्फी का नियम केवल सबसे खराब क्षण में ही बाहर हो जाएगा। :-)

— O. जोन्स

हालांकि गैरी की टिप्पणी में सच्चाई का एक तत्व है। इस बिंदु पर ट्रांजिस्टर की गिनती काफी अधिक है कि बड़े CPU के लिए डिज़ाइनर चुनने और चुनने के बजाय मरने पर सब कुछ डाल सकते हैं, और कैश को जोड़ना अंततः कम रिटर्न में चलता है। नए आर्किटेक्चर के साथ 10-20% लाभ यह दर्शाता है कि डिजाइनर अभी भी प्रदर्शन को ट्विक करने के लिए प्रबंध कर रहे हैं, लेकिन संभवतः ऐसा कुछ भी क्रांतिकारी नहीं बचा है जिसे खर्च करने के लिए अधिक ट्रांजिस्टर उपलब्ध हों तो इसे लागू किया जा सकता है।

— डैन नीली

Answer 1

हर बार घड़ी की टिक टिक आप चार्ज कर रहे हैं या कैपेसिटर का एक गुच्छा डिस्चार्ज कर रहे हैं। संधारित्र चार्ज करने की ऊर्जा है:

E = 1/2*C*V^2

जहां Cसमाई है और Vवह वोल्टेज है जिस पर यह चार्ज किया गया था।

यदि आपकी आवृत्ति है f[Hz], तो आपके पास fप्रति सेकंड चक्र हैं, और आपकी शक्ति है:

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

यही कारण है कि शक्ति आवृत्ति के साथ रैखिक रूप से ऊपर जाती है।

आप देख सकते हैं कि यह वोल्टेज के साथ चतुष्कोणीय रूप से ऊपर जाता है। उसकी वजह से, आप हमेशा सबसे कम संभव वोल्टेज पर चलना चाहते हैं। हालांकि, यदि आप आवृत्ति को बढ़ाना चाहते हैं तो आपको वोल्टेज भी बढ़ाना होगा, क्योंकि उच्च आवृत्तियों के लिए उच्च परिचालन वोल्टेज की आवश्यकता होती है, इसलिए वोल्टेज आवृत्ति के साथ रैखिक रूप से बढ़ जाता है।

इस कारण से, शक्ति f^3(या जैसे V^3) बढ़ जाती है ।

अब, जब आप कोर की संख्या बढ़ाते हैं, तो आप मूल रूप से कैपेसिटेंस बढ़ा रहे हैं C। यह वोल्टेज और आवृत्ति से स्वतंत्र है, इसलिए शक्ति रैखिक रूप से बढ़ जाती है C। यही कारण है कि कोर की संख्या बढ़ाने के लिए यह अधिक शक्ति कुशल है कि यह आवृत्ति को बढ़ाना है।

आवृत्ति बढ़ाने के लिए आपको वोल्टेज बढ़ाने की आवश्यकता क्यों है? ठीक है, एक संधारित्र के वोल्टेज के अनुसार बदलता है:

dV/dt = I/C

Iवर्तमान कहाँ है तो, करंट जितना अधिक होगा, उतनी ही तेजी से आप ट्रांजिस्टर के गेट कैपेसिटेंस को उसके "ऑन" वोल्टेज ("ऑन" वोल्टेज ऑपरेटिंग वोल्टेज पर निर्भर नहीं करता है) चार्ज कर सकते हैं, और जिस तेजी से आप ट्रांजिस्टर को स्विच कर सकते हैं। वर्तमान ऑपरेटिंग वोल्टेज के साथ रैखिक रूप से उगता है। इसलिए आपको आवृत्ति बढ़ाने के लिए वोल्टेज बढ़ाने की आवश्यकता है।

Comments

ट्रांजिस्टर में गतिशील समाई होती है। एक ट्रांजिस्टर को "खोलने" के लिए, आपको इसके गेट-कैपेसिटी को चार्ज करने की आवश्यकता है।

— नाथन फेलमैन

मैं रिसाव में भी नहीं गया था, लेकिन यह बहुत अधिक काम करता है। यह किसी प्रकार के अवरोधक की तरह अधिक है, और संधारित्र की तरह कम है, इसलिए यह समान आवृत्ति f पर v ^ 2 / r के आधार पर बिजली की खपत करता है।

— नाथन फ़ेलमैन

तुम गलत हो। यह समाई के बारे में 100% है। कैपेसिटेंस को चार्ज किया जाता है और स्रोत-नाली प्रतिरोध के माध्यम से डिस्चार्ज किया जाता है, जो निश्चित रूप से रिसाव नहीं होता है , लेकिन जो उस शक्ति का उपभोग करता है जिसे आपने चार्ज किया और कैपेसिटर का निर्वहन किया। इसके अलावा, यह नहीं है कि ये किसी भी तरह से आदर्श कैपेसिटर नहीं हैं। 1 वे सभी वास्तविक दुनिया कैपेसिटर हैं, उनमें से 2 वे MOS कैपेसिटर हैं जिनका व्यवहार नियमित कैपेसिटर से बहुत अलग है, यदि केवल इसलिए कि उनकी कैपेसिटेंस वर्तमान वोल्टेज पर निर्भर करती है।

— नाथन फेलमैन

ठीक है ... समाई का ताप रूपांतरण से कोई लेना-देना नहीं है, लेकिन इसका ऊर्जा की खपत के साथ क्या करना है, क्योंकि आपको संधारित्र को चार्ज करने के लिए 1 / 2CV ^ 2 का निवेश करने की आवश्यकता है। वह ऊर्जा कुछ शक्ति स्रोत से आती है, इसलिए हर बार जब आप संधारित्र को चार्ज करते हैं, तो आप उस स्रोत से 1 / 2CV ^ 2 खर्च कर रहे हैं। उस स्रोत को गर्म करने से कुछ भी नहीं है। समाई प्रति-se दोष करने के लिए नहीं है। संधारित्र जिस वातावरण में है, उसे दोष देना है।

— नाथन फेलमैन

@ गैरी आप कैपेसिटेंस को दोष देते हैं क्योंकि कैपेसिटी के साथ हीट स्केल होता है। कहें कि आपको 0.9V स्रोत से दूसरे के एक अरबवें हिस्से में वोल्टेज को 0.2V से 0.75V तक ट्रांजिस्टर पर उठाने की आवश्यकता है। आपके द्वारा उपयोग की जाने वाली शक्ति, वर्तमान के माध्यम से और गेट की धारिता को पार करने के लिए आवश्यक प्रतिरोध पर रैखिक रूप से निर्भर करती है। यदि समाई शून्य थी, तो किसी भी प्रवाह को प्रतिरोध के माध्यम से प्रवाह करने की आवश्यकता नहीं होगी।

— डेविड श्वार्ट्ज

Answer 2

मूल रूप से:

• जब आप इसमें अधिक वोल्टेज लगाते हैं तो एक ट्रांजिस्टर तेजी से स्विच करता है।
• आधुनिक आईसी एक राज्य से दूसरे पर (घड़ी की टिक पर) स्वाइप करते समय सबसे अधिक बिजली की खपत करता है, लेकिन एक ही राज्य में रहने के लिए कोई शक्ति का उपभोग नहीं करता है (ठीक है, वहाँ रिसाव है, इसलिए वास्तव में कोई शक्ति नहीं है) इसलिए आप जितनी तेज़ी से स्विच करते हैं, आपके पास प्रति सेकंड अधिक स्विच, जितनी अधिक बिजली आप खपत करते हैं।

प्रोसेसर आर्किटेक्चर के सभी विवरणों पर एक बहुत अच्छी किताब: डेविड ए पैटरसन, जॉन एल। हेनेसी द्वारा कंप्यूटर संगठन और डिजाइन।

Comments

वह एक क्लासिक किताब है।

क्या वह न्यूयॉर्क राज्य का गवर्नर है?

— नाथन फेलमैन

Answer 3

हर बार एक ट्रांजिस्टर राज्य में बदल जाता है, करंट खर्च होता है। उच्च आवृत्ति का अर्थ है तेजी से स्विच करना, अधिक वर्तमान बर्बाद। और हर चीज की प्रतिबाधा इसे गर्मी में बदल देती है। P = I ^ 2 * R और वह सब। और P V ^ 2 / R है। इस मामले में, आप वास्तव में औसत वी चाहते हैं और मैं समय के साथ गणना करने में सक्षम हो सकता हूं, और यह वोल्टेज और वर्तमान दोनों के लिए द्विघात होगा।

Comments

रिसाव कम महत्वपूर्ण है कि वास्तविक स्विचिंग पावर।

— नाथन फ़ेलमैन

क्षमा करें, मैं 'लीक' को 'व्यर्थ' में बदल दूंगा

"और हर चीज की प्रतिबाधा इसे गर्मी में बदल देती है" - वास्तव में, प्रतिबाधा नहीं। बस प्रतिरोध है। प्रतिबाधा के काल्पनिक भाग गर्मी में परिवर्तित नहीं होते हैं।

— नाथन फेलमैन

Answer 4

1) दो कोर बनाम एक कोर की
गति एक कोर को तेज करने के लिए आपको एक राज्य से दूसरे राज्य में स्विच करने वाले ट्रांजिस्टर को गति देने के लिए नई तकनीक की आवश्यकता होती है। एक और कोर जोड़ने के लिए आपको बस एक ही ट्रांजिस्टर की आवश्यकता है।

2) ऊष्मा
का अपव्यय ताप के रूप में होता है। बिजली = वोल्टेज * करंट। वोल्टेज = प्रतिरोध * करंट। पावर = वोल्टेज ^ 2 / प्रतिरोध। अतः उष्मा का विघटन वोल्टता वर्ग के समानुपाती होता है।

Comments

हां मुझे पता है कि वोल्टेज के साथ गर्मी द्विघात बढ़ जाती है, मुझे क्या नहीं मिलता है जो घड़ी की गति पर वोल्टेज को प्रभावित करता है? क्या मुझे उच्चतर घड़ी की गति के लिए उच्च वोल्टेज की आवश्यकता है?

मैं जानता हूँ कि माइक्रोचिप्स PICs में वोल्टेज बनाम फ्रीक्वेंसी के लिए एक ग्राफ होता है। एक न्यूनतम वोल्टेज है कि चिप कम आवृत्ति पर चलेगी। यह अधिकतम वोल्टेज और अधिकतम आवृत्ति के लिए एक रेखीय पैमाने है।

— रॉबर्ट

@ निल्स, उच्च वोल्टेज तेज और कम अस्पष्ट संक्रमण और स्थिति देता है, और यह अधिक संभावना बनाता है कि 1 को 1 के रूप में व्याख्या किया जाएगा और 0. नहीं और उच्च आवृत्ति संक्रमण को कम वर्ग-ईश बनाता है। याद रखें कि चौकोर तरंगें मौजूद नहीं हैं।

आप अधिक वर्ग-ईश का अर्थ है

— नाथन फेलमैन

Answer 5

खैर, विद्युत शक्ति में, दो प्रकार की शक्ति होती है, प्रतिक्रियाशील शक्ति और वास्तविक शक्ति। कुछ लोग प्रतिक्रियाशील शक्ति को गतिशील शक्ति कहते हैं। प्रतिक्रियाशील शक्ति कभी भी भस्म या खो नहीं जाती है। उदाहरण के लिए, यदि एक आदर्श संधारित्र एक एसी वोल्टेज स्रोत से आदर्श दोषरहित तारों द्वारा जुड़ा हुआ है, तो संधारित्र एक चक्र में जनरेटर से ऊर्जा ले रहा है, और अगले चक्र में जनरेटर को ऊर्जा लौटाएगा। शुद्ध नुकसान शून्य है।

हालांकि, यदि तार nonideal और प्रतिरोधक हैं, तो संधारित्र के चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान तारों में ऊर्जा का प्रसार होता है। यह विघटित शक्ति वास्तविक शक्ति हानि है, और इसे पुनर्प्राप्त नहीं किया जा सकता है। जैसे-जैसे घड़ी की दर बढ़ती है, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग की दर बढ़ती जाती है, जिससे तारों में बिजली की हानि बढ़ जाती है।

ट्रांजिस्टर के द्वार कैपेसिटर की तरह व्यवहार करते हैं। जैसे-जैसे घड़ी की दर बढ़ती जाती है, कैपेसिटर तक अधिक प्रतिक्रियाशील शक्ति पहुंचाई जाती है। प्रतिरोधक तारों में खो जाने वाला अंश भी ऊपर चला जाता है।

Answer 6

एक बात का अब तक उल्लेख नहीं किया गया है - चिप्स तेज हो जाते हैं और उन्हें बनाने के लिए लिथोग्राफी प्रक्रिया छोटे घटक हो जाते हैं। वे इतने छोटे हो गए हैं कि वे कुछ मामलों में व्यापक परमाणु हैं। वर्तमान में महत्वपूर्ण रिसाव है, जो आमतौर पर गर्मी के रूप में फैल जाता है।

Answer 7

एक सर्किट की स्थिति को तेजी से स्विच करने के लिए इसे धीरे-धीरे स्विच करने की तुलना में अधिक वर्तमान की आवश्यकता होती है। उस धारा को प्राप्त करने के लिए आपको एक उच्च वोल्टेज और / या अधिक, अधिक बिजली-प्यास वाले घटकों की आवश्यकता होती है। और, ज़ाहिर है, बड़े घटकों को अधिक ड्राइव वर्तमान की आवश्यकता होती है, जिससे स्नोबॉल प्रभाव होता है।

(दिलचस्प बात यह है कि नवीनतम वैज्ञानिक अमेरिकी (जुलाई 2011) में एक लेख था जो मानव मस्तिष्क के लिए इस विषय को शामिल करता है। समान सिद्धांत, और एक तरह से मानव मस्तिष्क अधिक शक्ति में उप-प्रोसेसर को अलग करने के लिए मस्तिष्क को विभाजित करना है। इतनी बात करने के लिए।)