Mengapa prosesor menjadi panas?

Saya ingin memahami bagaimana proses komputasi menyebabkan prosesor menjadi panas. Saya mengerti bahwa panas dihasilkan oleh transistor.

1. Bagaimana transistor menghasilkan panas sebenarnya?
2. Apakah korelasi antara jumlah chip dan panas dihasilkan secara linier?
3. Apakah produsen CPU mengoptimalkan posisi transistor tunggal untuk meminimalkan panas yang dihasilkan?

Transistor (FET, dalam IC modern) tidak pernah beralih langsung dari OFF penuh ke ON penuh. Ada periode saat ini menghidupkan atau mematikan di mana FET bertindak seperti sebuah resistor (bahkan ketika sepenuhnya ON masih memiliki resistensi).

Seperti yang Anda ketahui, melewatkan arus melalui resistor menghasilkan panas ( atau P = V $P=I^2R$ ).$P=\frac{V^2}{R}$

Semakin banyak transistor beralih semakin banyak waktu yang mereka habiskan dalam keadaan resistif itu, sehingga semakin banyak panas yang mereka hasilkan. Jadi jumlah panas yang dihasilkan dapat berbanding lurus dengan jumlah transistor - tetapi juga tergantung pada transistor mana yang melakukan apa dan kapan, dan itu tergantung pada apa yang diinstruksikan oleh chip.

Ya, pabrikan dapat menempatkan blok tertentu dari desain mereka (bukan transistor individual, tetapi blok yang membentuk fungsi lengkap) di area tertentu tergantung pada panas yang dapat dihasilkan blok - baik untuk menempatkannya di lokasi dengan ikatan panas yang lebih baik, atau untuk menempatkan jauh dari blok lain yang dapat menghasilkan panas. Mereka juga harus memperhitungkan distribusi daya di dalam chip, sehingga menempatkan blok secara sewenang-wenang tidak selalu memungkinkan, sehingga mereka harus berkompromi.

Semua aliran arus dalam apa pun yang bukan superkonduktor menghasilkan panas. Dalam chip, sebagian besar mengalir di lapisan "logam" aluminium (mengapa tidak tembaga? Interaksi kimia yang buruk dengan bagian lain dari silikon, ternyata).

Apa yang menyebabkan arus mengalir? Setiap kali transistor berubah keadaan, ini dapat dimodelkan sebagai kapasitor (gerbang FET dari gerbang logika yang digerakkan plus kapasitansi kawat parasit) pengisian / pemakaian melalui kawat dan output FET dari gerbang sebelumnya. Ini adalah kekuatan "switching" atau "dinamis". Ini sebanding dengan kecepatan switching dan kuadrat dari tegangan; karenanya drive dari 5V ke 3.3V ke 1.8V untuk efisiensi yang lebih baik.

Isolatornya tidak sempurna, dan di beberapa tempat sangat tipis. Transistor mungkin tidak sepenuhnya "mati". Jika FET memiliki resistansi off dari megaohm, dan Anda menempatkan satu juta dari mereka secara paralel, itu terlihat seperti resistor 1 ohm. Ini adalah kekuatan "kebocoran". Ini sebanding dengan jumlah transistor.

Saya menghabiskan satu dekade bekerja di sebuah startup pada optimasi daya. :) Ada banyak teknik: pengorbanan kecepatan / kebocoran ("gerbang logam k tinggi"), mematikan seluruh bagian dari sirkuit, gating jam, pengurangan frekuensi jam, ukuran dan penempatan.

1) Setiap kali ada aliran arus, panas dihasilkan oleh tumbukan elektron. 2) Ya, umumnya, korelasinya linier. 3) Sangat tidak mungkin bahwa pabrik CPU mengoptimalkan posisi masing - masing transistor, untuk meminimalkan panas yang dihasilkan (mereka semua di dalam casing yang sama ).
Ketika CPU "idle", meskipun menggunakan jumlah arus minimum, itu menghasilkan panas. Ketika prosesor mulai "memproses" informasi, masing-masing transistor beralih status. Pergantian ini juga menghasilkan panas. Selain itu, frekuensi switching mempengaruhi laju pembangkitan panas, semakin tinggi frekuensi semakin tinggi laju pembangkitan panas. Karena kapasitas disipasi panas chip diperbaiki, chip dapat menjadi terlalu panas jika dioperasikan pada frekuensi yang lebih tinggi daripada yang dirancang untuk beroperasi.

sederhana kita tahu bahwa menurut hukum joule bahwa setiap kali elektron mengalir melalui konduktor, panas yang dihasilkan karena resistansi material karena setiap konduktor memiliki sejumlah resistansi di dalamnya.