Warum wird ein Prozessor heiß?

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Ich möchte verstehen, wie der Berechnungsprozess den Prozessor heiß werden lässt. Ich verstehe, dass die Wärme von den Transistoren erzeugt wird.

Wie erzeugen die Transistoren genau die Wärme?
Ist die Korrelation zwischen der Anzahl der Chips und der erzeugten Wärme linear?
Optimieren CPU-Hersteller die Positionen einzelner Transistoren, um die erzeugte Wärme zu minimieren?

— syntagma
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Schaltfälle Wärme und damit Taktrate haben auch einen direkten Zusammenhang mit der erzeugten Wärme.

— Nidhin

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In der Praxis erwärmen sich echte Chips aufgrund der Bewegung von Elektrizität durch einen Widerstandsleiter, wie in den Antworten angegeben. Wenn Sie jedoch an diesem Thema interessiert sind, möchten Sie vielleicht nachlesen, inwiefern die Erzeugung von binären Informationen selbst die Erzeugung von Abwärme erforderlich macht. Ein netter Aufsatz, der nicht viel Physik erfordert, kann hier gefunden werden plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

Ich habe nicht die Mathematik, um richtig zu antworten (und auf Erics Kommentar einzugehen), aber es gibt Implikationen für diese Frage bei Quantencomputern und reversiblen Gattern . Es wird "kT ln (2) Energie pro irreversibler Bitoperation verbraucht". Ein Teil von Landauers Prinzip . Wenn Sie haben (A & B), hat dies zwei Eingänge und einen Ausgang. Diese Informationen, die in diesem Prozess verloren gehen, müssen irgendwohin und werden zu Entropie (Hitze) ... vorausgesetzt, ich habe sie verstanden genug, um dies zu beschreiben.

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Ein Transistor (FET in modernen ICs) schaltet niemals sofort von vollständig AUS nach vollständig EIN. Es gibt eine Zeitspanne, in der der FET ein- oder ausgeschaltet wird und sich wie ein Widerstand verhält (selbst wenn er voll eingeschaltet ist, hat er immer noch einen Widerstand).

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

Je mehr die Transistoren schalten, desto mehr Zeit verbringen sie in diesem Widerstandszustand, und desto mehr Wärme erzeugen sie. Die erzeugte Wärmemenge kann also direkt proportional zur Anzahl der Transistoren sein - es hängt jedoch auch davon ab, welche Transistoren was und wann tun und was der Chip tun soll.

Ja, Hersteller können bestimmte Blöcke ihres Designs (nicht einzelne Transistoren, sondern Blöcke, die eine vollständige Funktion bilden) in bestimmten Bereichen platzieren, abhängig von der Wärme, die der Block erzeugen könnte - entweder um ihn an einem Ort mit besserer Wärmebindung zu platzieren oder um ihn zu platzieren es von einem anderen Block entfernt, der Wärme erzeugen kann. Sie müssen auch die Stromverteilung innerhalb des Chips berücksichtigen, so dass es möglicherweise nicht immer möglich ist, Blöcke willkürlich zu platzieren, sodass sie einen Kompromiss eingehen müssen.

— Majenko
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Es gibt viele, viele Faktoren, die zur Wärmeerzeugung in einer CPU beitragen. Nur weil diese Antwort Ihren Favoriten nicht erwähnt, heißt das noch lange nicht, dass er falsch ist. Ich schlage vor, dass Sie Ihre eigene Antwort schreiben, anstatt perfekt gültige Antworten herunterzustimmen. Wenn es besser ist als dieser, wird die Community entscheiden und es werden mehr Stimmen vergeben.

— Majenko

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Bias also, indem du den Leuten eine bessere Antwort gibst, damit sie ihre Stimmen abgeben können, anstatt meine.

— Majenko

Ich werde, aber ich werde für eine Weile keine Zeit haben (Tage). Im Moment stimme ich zu, dass Wärme durch Widerstandsverluste erzeugt wird. Ich glaube jedoch nicht, dass Ihre Antwort ein sehr tiefes Verständnis vermittelt.

— HKOB

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Jeder Stromfluss in etwas, das kein Supraleiter ist, erzeugt Wärme. In Chips fließt es meist in Aluminium- "Metall" -Schichten (warum nicht Kupfer? Es stellt sich heraus, dass es eine unangenehme chemische Wechselwirkung mit anderen Teilen des Siliziums gibt).

Wodurch fließt Strom? Jedes Mal, wenn ein Transistor seinen Zustand ändert, kann dies als Kondensator modelliert werden (das FET-Gate des angesteuerten Logikgatters plus parasitäre Drahtkapazität), der über den Draht geladen / entladen wird und den FET des vorherigen Gatters ausgibt. Dies ist "Schalten" oder "dynamische" Leistung. Es ist proportional zur Schaltgeschwindigkeit und zum Quadrat der Spannung. daher der Antrieb von 5 V auf 3,3 V auf 1,8 V für eine bessere Effizienz.

Die Isolatoren sind nicht perfekt und an einigen Stellen sehr dünn. Die Transistoren sind möglicherweise nicht vollständig ausgeschaltet. Wenn ein FET einen Aus-Widerstand von einem Megaohm hat und Sie eine Million davon parallel schalten, sieht es aus wie ein 1-Ohm-Widerstand. Dies ist "Leckstrom". Es ist proportional zur Anzahl der Transistoren.

Ich habe ein Jahrzehnt lang bei einem Startup an der Energieoptimierung gearbeitet. :) Es gibt viele Techniken: Kompromisse zwischen Geschwindigkeit und Leckage ("High-k-Metal-Gate"), vollständiges Ausschalten von Teilen der Schaltung, Taktsteuerung, Reduzierung der Taktfrequenz, Dimensionierung und Platzierung.

— pjc50
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Die heutigen Hochleistungsmikroprozessoren tatsächlich tun Verwendung Kupferverbindungen, mit dünnen Schichten aus anderen Metallen , um das Kupfer zu verhindern , mit Silizium zu reagieren. Aluminium wird jedoch immer noch für weniger komplexe und größere Prozesschips verwendet, da die Arbeit mit Aluminium weitaus weniger kompliziert ist.

— Hobbs

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1) Bei jedem Stromfluss wird durch die Kollisionen der Elektronen Wärme erzeugt. 2) Ja, im Allgemeinen ist die Korrelation linear. 3) Es ist sehr unwahrscheinlich, dass CPU-Hersteller die Position einzelner Transistoren optimieren , um die erzeugte Wärme zu minimieren (sie befinden sich alle im selben Gehäuse).
Wenn eine CPU im "Leerlauf" ist, erzeugt sie Wärme, obwohl sie nur eine minimale Strommenge verbraucht. Wenn der Prozessor beginnt, Informationen zu "verarbeiten", schalten die einzelnen Transistoren ihre Zustände. Dieses Schalten erzeugt auch Wärme. Außerdem wirkt sich die Schaltfrequenz auf die Wärmeerzeugungsrate aus. Je höher die Frequenz, desto höher die Wärmeerzeugungsrate. Da die Wärmeableitungskapazität des Chips fest ist, kann er überhitzen, wenn er mit einer höheren Frequenz betrieben wird, als für den Betrieb vorgesehen ist.

— Guill
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Es ist einfach, dass wir nach dem Jouleschen Gesetz wissen, dass jedes Mal, wenn das Elektron durch den Leiter fließt, die Wärme aufgrund des Widerstands des Materials entsteht, weil jeder Leiter einen gewissen Widerstand aufweist.

— Abhay
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