Warum brauchen CPUs so viel Strom?

1. CPUs sind keineswegs „einfach“. Weil sie einige Milliarden Transistoren haben, von denen jeder im Leerlauf ein kleines Leck hat und beim Schalten Gate- und Verbindungskapazitäten in anderen Transistoren laden und entladen muss. Ja, jeder zieht einen kleinen Strom, aber wenn Sie das mit der Anzahl der Transistoren multiplizieren, erhalten Sie eine überraschend große Anzahl. 64A ist bereits ein durchschnittlicher Strom ... beim Schalten können die Transistoren viel mehr als den Durchschnitt ziehen, was durch Bypass-Kondensatoren geglättet wird. Denken Sie daran, dass Ihre 64A-Zahl aus der Rückwärtsbewegung von der TDP stammt, was wirklich 64A RMS ergibt, und dass es auf vielen Zeitskalen erhebliche Abweichungen geben kann (Variation während eines Taktzyklus, Variation während verschiedener Operationen, Variation zwischen Schlafzuständen usw. ). Ebenfalls, Sie können möglicherweise mit einer CPU davonkommen, die für den Betrieb mit 3 GHz bei 1,2 Volt und 64 Ampere bei 1 Volt und 1 Ampere ausgelegt ist ... nur vielleicht bei 3 MHz. Obwohl Sie sich an diesem Punkt dann Gedanken darüber machen müssen, ob der Chip dynamische Logik mit einer minimalen Taktfrequenz verwendet, müssten Sie ihn möglicherweise mit einigen hundert MHz bis zu einem GHz betreiben und regelmäßig in den Tiefschlaf versetzen, um den Durchschnitt zu erhalten Strom runter. Unter dem Strich gilt: Leistung = Leistung. Die Leistung der meisten modernen CPUs ist tatsächlich thermisch begrenzt. Vielleicht müssten Sie es also mit einigen hundert MHz bis zu einem GHz betreiben und es regelmäßig in den Tiefschlaf versetzen, um den durchschnittlichen Strom zu senken. Unter dem Strich gilt: Leistung = Leistung. Die Leistung der meisten modernen CPUs ist tatsächlich thermisch begrenzt. Vielleicht müssten Sie es also mit einigen hundert MHz bis zu einem GHz betreiben und es regelmäßig in den Tiefschlaf versetzen, um den durchschnittlichen Strom zu senken. Unter dem Strich gilt: Leistung = Leistung. Die Leistung der meisten modernen CPUs ist tatsächlich thermisch begrenzt.
2. Das ist relativ einfach zu berechnen -$I = C v \alpha f$, wo$I$ist der Strom,$C$ist die Lastkapazität,$v$ist die Spannung,$\alpha$ist der Aktivitätsfaktor, und$f$ist die Schaltfrequenz. Ich werde sehen, ob ich Ballpark-Zahlen für die Gate-Kapazität eines FinFET erhalten und bearbeiten kann.
3. Art von. Je schneller die Gate-Kapazität geladen oder entladen wird, desto schneller schaltet der Transistor. Ein schnelleres Laden erfordert entweder eine kleinere Kapazität (bestimmt durch die Geometrie) oder einen größeren Strom (bestimmt durch den Verbindungswiderstand und die Versorgungsspannung). Wenn einzelne Transistoren schneller schalten, können sie häufiger schalten, was zu einer höheren durchschnittlichen Stromaufnahme führt (proportional zur Taktfrequenz).

Bearbeiten: http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf hat eine Zahl für die Gate-Kapazität eines 25-nm-FinFET. Ich nenne es einfach 0,1 fF, um die Dinge einfach zu halten. Anscheinend variiert es mit der Vorspannung und es wird sicherlich mit der Transistorgröße variieren (Transistoren sind entsprechend ihrem Zweck in der Schaltung bemessen, nicht alle Transistoren haben die gleiche Größe! Größere Transistoren sind "stärker", da sie mehr Strom schalten können, aber sie haben auch eine höhere Gate-Kapazität und benötigen mehr Strom zum Treiben).

Einstecken von 1,25 Volt, 0,1 fF, 3 GHz und$\alpha = 1$, Das Ergebnis ist$0.375 \mu A$. Multiplizieren Sie das mit 1 Milliarde und Sie erhalten 375 A. Das ist der erforderliche durchschnittliche Gate-Strom (Ladung pro Sekunde in die Gate-Kapazität), um 1 Milliarde dieser Transistoren bei 3 GHz zu schalten. Das zählt nicht "Durchschießen", das beim Umschalten in der CMOS-Logik auftritt. Es ist auch ein Durchschnitt, daher kann der Momentanstrom stark variieren - denken Sie daran, wie die Stromaufnahme asymptotisch abnimmt, wenn sich eine RC-Schaltung auflädt. Bypass-Kondensatoren auf dem Substrat, dem Gehäuse und der Leiterplatte glätten diese Schwankungen. Offensichtlich ist dies nur eine ungefähre Zahl, aber es scheint die richtige Größenordnung zu sein. Dies berücksichtigt auch nicht Leckstrom oder Ladung, die in anderen Parasiten (z. B. Verdrahtung) gespeichert sind.

Bei den meisten Geräten$\alpha$wird viel kleiner als 1 sein, da viele der Transistoren bei jedem Taktzyklus im Leerlauf sind. Dies hängt von der Funktion der Transistoren ab. Beispielsweise werden Transistoren im Taktverteilungsnetz haben$\alpha = 1$da sie in jedem Taktzyklus zweimal schalten. Für so etwas wie einen Binärzähler hätte das LSB$\alpha$von 0,5, da es einmal pro Taktzyklus schaltet, das nächste Bit hätte$\alpha = 0.25$da es halb so oft schaltet usw. Für so etwas wie einen Cache-Speicher$\alpha$könnte sehr klein sein. Nehmen Sie zum Beispiel einen 1 MB Cache. Ein 1-MB-Cache-Speicher, der mit 6T-SRAM-Zellen aufgebaut ist, hat 48 Millionen Transistoren, nur um die Daten zu speichern. Es wird mehr für die Lese- und Schreiblogik, Demultiplexer usw. haben. Allerdings würde nur eine Handvoll jemals einen bestimmten Taktzyklus einschalten. Nehmen wir an, die Cache-Zeile ist 128 Byte lang und bei jedem Zyklus wird eine neue Zeile geschrieben. Das sind 1024 Bit. Unter der Annahme, dass sowohl der Zelleninhalt als auch die neuen Daten zufällig sind, wird erwartet, dass 512 Bits umgedreht werden. Das sind 3072 Transistoren von 48 Millionen, oder$\alpha = 0.000061$. Beachten Sie, dass dies nur für das Speicherarray selbst gilt; Die Unterstützungsschaltung (Decoder, Lese-/Schreiblogik, Leseverstärker usw.) wird viel größer sein$\alpha$. Aus diesem Grund wird der Stromverbrauch des Cache-Speichers normalerweise vom Leckstrom dominiert - das sind viele Transistoren im Leerlauf, die nur herumsitzen und lecken, anstatt zu schalten.

Laut Wikipedia hatten die im Jahr 2011 veröffentlichten Top-CPUs etwa 0,5 bis 2,5 Milliarden Transistoren. Unter der Annahme, dass eine CPU mit 1 Milliarde Transistoren 64 A Strom verbraucht, beträgt der durchschnittliche Strom nur 64 nA pro Transistor. In Anbetracht von Betriebsfrequenzen von mehreren GHz ist das eigentlich erstaunlich wenig.