为什么热量产生随着CPU时钟频率的增加而增加？

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整个多核辩论使我思考。

生产两个内核（在一个封装中）然后将一个内核的速度提高两倍就容易得多。为什么会这样呢？我在Google上搜索了一下，但发现从超频电路板得到的答案大多是非常不准确的，不能解释基本的物理学。

电压似乎具有最大的影响（二次方），但是如果我想要更快的时钟速率，是否需要以更高的电压运行CPU？我也想知道为什么当以一定的时钟速度运行时，半导体电路到底会产生多少热量？

cpu-architecture

— 尼尔斯
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有多核辩论吗？我以为墨菲的法则已经用光了，总管们再也找不到其他事情了。

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摩尔定律。墨菲定律只会在最糟糕的时刻失效。:-)

— O. Jones

不过，加里的评论有道理。在这一点上，晶体管的数量已经足够高，对于大型CPU来说，设计人员可以将所有东西都放在芯片上，而不必进行选择，并且增加缓存最终会导致收益递减。新架构的性能提高了10-20％，这表明设计人员仍在设法调整性能，但是如果有更多可用晶体管投入使用，那么可能没有任何革命性的东西可以实现。

— 丹·尼利

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每次时钟滴答滴答作响时，您都在对一堆电容器进行充电或放电。为电容器充电的能量为：

E = 1/2*C*V^2

哪里C是电容，V是它所充电的电压。

如果您的频率是f[Hz]，那么您f每秒就有周期，而您的功率是：

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

这就是功率随频率线性上升的原因。

您可以看到它随电压平方上升。因此，您始终希望以最低的电压运行。但是，如果要提高频率，则还必须提高电压，因为更高的频率需要更高的工作电压，因此电压会随频率线性上升。

因此，功率会像f^3（或）一样上升V^3。

现在，当您增加核心数时，基本上就是在增加电容C。这与电压和频率无关，因此功率随线性增加C。这就是为什么增加内核数（即增加频率）更省电的原因。

为什么需要增加电压来增加频率？好吧，电容器的电压根据以下因素变化：

dV/dt = I/C

I当前在哪里。因此，电流越高，您可以将晶体管的栅极电容充电到其“导通”电压的速度就越快（“导通”电压不取决于工作电压），并且可以更快地导通晶体管。电流随工作电压线性上升。这就是为什么您需要增加电压以增加频率的原因。

— 内森·费尔曼（Nathan Fellman）
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晶体管具有动态电容。为了“打开”晶体管，您需要给其栅极电容充电。

— 内森·费尔曼

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我什至没有泄漏，但是效果几乎一样。它更像某种电阻，而不像电容器，因此它在相同的频率f上消耗基于v ^ 2 / r的功率。

— 内森·费尔曼

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你错了。电容大约是100％。电容通过源极-漏极电阻充电和放电，这绝对不是泄漏，但会消耗您在电容器充电和放电时所消耗的功率。同样，并不是说这些都不是理想的电容器。它们中的第1个是实际电容器，第2个是MOS电容器，其行为与常规电容器有很大不同，即使仅仅是因为它们的电容取决于电流电压。

— 弥敦道·费尔曼

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好的...电容与热转换无关，但与能耗有关，因为您需要投资1 / 2CV ^ 2为电容器充电。该能量来自某种电源，因此，每次对电容器充电时，您都在从该电源上花费1 / 2CV ^ 2。没有什么可以阻止该源变热的。该电容每本身是不能责怪。该电容的环境是罪魁祸首。

— 内森·费尔曼

1

@Gary您归咎于电容，因为热量与电容成比例。假设您需要在0.9V的电压下，在十亿分之一秒内将晶体管上的电压从0.2V提高到0.75V。用于执行此操作的功率与电流需要通过的电阻和栅极的电容成线性关系。如果电容为零，则无需电流流过电阻。

— David Schwartz

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基本上是：

当您向其施加更多电压时，其开关速度更快。
当从一种状态切换到另一种状态时（时钟滴答），现代IC消耗的功率最多，但保持相同状态却不消耗任何功率（嗯，有泄漏，因此并非完全没有功率），因此切换速度越快，您每秒拥有的开关越多，消耗的功率就越多。

关于处理器体系结构的所有细节的非常不错的书：David A. Patterson，John L. Hennessy的计算机组织和设计。

— 纪尧姆
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那是一本经典的书。

是纽约州州长吗？

— 弥敦道·费尔曼

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晶体管每次切换状态时，都会消耗电流。更高的频率意味着更快的开关速度，更多的电流浪费。一切的阻抗都会将其转化为热量。P = I ^ 2 * R等。并且P是V ^ 2 / R。但是，在这种情况下，您确实希望能够计算出随时间变化的平均V和I，并且电压和电流都为平方。

— gtrak
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泄漏不如实际开关功率重要。

— 内森·费尔曼

抱歉，我将“泄漏”更改为“浪费”

“并且所有事物的阻抗都会将其转化为热量”-实际上，不是阻抗。只是抵抗。阻抗的虚部不会转换为热量。

— 弥敦道·费尔曼

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1）两核与加速一个核
要加速一个核，您需要新技术来加速晶体管从一种状态切换到另一种状态。要添加另一个内核，您只需要更多相同的晶体管即可。

2）热量热量
以热量的形式散发。功率=电压*电流。电压=电阻*电流。功率=电压^ 2 /电阻。因此，散热量与电压平方成正比。

— 罗伯特
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是的，我知道热量随电压增加二次方，我不明白电压对时钟速度的影响是什么？我需要更高的电压来提高时钟速度吗？

我知道Microchip的PIC具有电压与频率的关系图。芯片将在最低频率下运行最低电压。它是最大电压和最大频率的线性比例。

— 罗伯特2010年

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@Nils，较高的电压会提供更清晰，更不模糊的过渡和状态，并更可能将1解释为1而不是0。而较高的频率会使过渡变得不太方形。记住方波不存在。

您的意思是更多方形的

— Nathan Fellman 2010年

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嗯，在电力中，有两种功率，无功功率和有功功率。有人称无功功率为动态功率。无功功率永远不会消耗或丢失。例如，如果理想电容器通过理想的无损导线连接到交流电压源，则电容器将进行充电和放电，在一个周期内从发电机中获取能量，并在下一周期中将能量返回给发电机。净损失为零。

但是，如果导线不理想且具有电阻性，则在电容器的充电和放电过程中会在导线中耗散能量。该耗散功率是实际功率损耗，无法恢复。随着时钟速率的增加，充电和放电的速率也增加，从而增加了导线中的功率损耗。

晶体管的栅极就像电容器一样。随着时钟速率的提高，更多的无功功率将传递到电容器。在电阻丝中损失的部分也增加了。

— 翁祖
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到目前为止没有提到的一件事-芯片变得更快，而光刻工艺使它们变得更小。它们太小了，在某些情况下它们只有几个原子宽。现在有大量的电流泄漏，通常会以热量的形式散发。

— 里奇·霍莫尔卡
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快速切换电路状态需要比缓慢切换电路更多的电流。为了获得该电流，您需要更高的电压和/或更大，更耗电的组件。而且，当然，较大的组件需要更多的驱动电流，从而导致滚雪球效应。

（有趣的是，最新的《科学美国人》（2011年7月）上有一篇文章涵盖了人类大脑的这一主题。相同的原理，人类大脑具有更多功能的一种方式是将大脑划分为单独的子处理器，可以这么说。）

— 丹尼尔·希克斯（Daniel R Hicks）
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