Pourquoi un processeur chauffe-t-il?

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Je voudrais comprendre comment le processus de calcul fait chauffer le processeur. Je comprends que la chaleur est générée par les transistors.

Comment les transistors génèrent-ils la chaleur exactement?
La corrélation entre le nombre de puces et la chaleur générée est-elle linéaire?
Les fabricants de CPU optimisent-ils les positions des transistors simples afin de minimiser la chaleur générée?

— syntagme
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La commutation de la chaleur des boîtiers et donc de la vitesse d'horloge a également une relation directe avec la chaleur générée.

— nidhin

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En pratique, les vrais copeaux chauffent à cause du mouvement de l'électricité à travers un conducteur résistant, comme indiqué dans les réponses. Mais si ce sujet vous intéresse, vous voudrez peut-être lire comment la création d'informations binaires elle-même nécessite nécessairement la création de chaleur perdue; Un bel essai qui ne nécessite pas beaucoup de physique peut être trouvé ici plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

Je n'ai pas les mathématiques pour répondre correctement (et pour développer le commentaire d'Eric), mais il y a des implications pour cette question dans l'informatique quantique et les portes réversibles . Il y a "kT ln (2) énergie dissipée par opération de bit irréversible". Une partie du principe de Landauer . Si vous en avez (A & B), cela a deux entrées et une sortie. Cette information qui est perdue dans ce processus doit aller quelque part et devient entropie (chaleur) ... en supposant que je l'ai suffisamment comprise pour décrire cela.

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Un transistor (FET, dans les circuits intégrés modernes) ne bascule jamais instantanément de l'état passant complètement à l'état passant. Il y a une période pendant laquelle il s'allume ou s'éteint où le FET agit comme une résistance (même lorsqu'il est complètement allumé, il a toujours une résistance).

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

Plus les transistors commutent, plus ils passent de temps dans cet état résistif, donc plus ils génèrent de chaleur. Ainsi, la quantité de chaleur générée peut être directement proportionnelle au nombre de transistors - mais elle dépend également des transistors qui font quoi et quand, et cela dépend de ce que la puce est chargée de faire.

Oui, les fabricants peuvent positionner des blocs spécifiques de leur conception (pas des transistors individuels, mais des blocs qui forment une fonction complète) dans certaines zones en fonction de la chaleur que ce bloc pourrait générer - soit pour le placer dans un endroit avec une meilleure liaison thermique, soit pour le placer l'éloigner d'un autre bloc qui peut générer de la chaleur. Ils doivent également tenir compte de la distribution de l'énergie au sein de la puce, de sorte que le placement arbitraire de blocs peut ne pas toujours être possible, ils doivent donc parvenir à un compromis.

— Majenko
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Il existe de nombreux facteurs contribuant à la production de chaleur dans un processeur. Ce n'est pas parce que cette réponse ne mentionne pas votre réponse préférée qu'elle est fausse. Je suggère, au lieu de voter contre des réponses parfaitement valables, d'essayer d'écrire votre propre réponse. Si c'est mieux que celui-ci, la communauté décidera et obtiendra plus de votes.

— Majenko

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Donc, biaisez-le en donnant aux gens une meilleure réponse pour mettre leurs votes à la place des miens.

— Majenko

Je le ferai, mais je n'aurai pas le temps pendant un certain temps (jours). Pour l'instant, je conviens que la chaleur est générée par des pertes résistives. Cependant, je ne pense pas que votre réponse donne une compréhension très profonde.

— HKOB

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Tout le courant circulant dans tout ce qui n'est pas un supraconducteur génère de la chaleur. Dans les puces, il s'écoule principalement dans des couches d'aluminium "métalliques" (pourquoi pas du cuivre? Interaction chimique désagréable avec d'autres parties du silicium, il s'avère).

Qu'est-ce qui fait circuler le courant? Chaque fois qu'un transistor change d'état, il peut être modélisé comme un condensateur (la porte FET de la porte logique entraînée plus la capacité du fil parasite) se chargeant / déchargeant à travers le fil et le FET de sortie de la porte précédente. Il s'agit de la puissance de "commutation" ou "dynamique". Il est proportionnel à la vitesse de commutation et au carré de la tension; d'où le variateur de 5V à 3,3V à 1,8V pour une meilleure efficacité.

Les isolateurs ne sont pas parfaits et, à certains endroits, sont très minces. Les transistors peuvent ne pas être complètement "bloqués". Si un FET a une résistance hors tension d'un mégohm et que vous en mettez un million en parallèle, cela ressemble à une résistance de 1 ohm. C'est le pouvoir de "fuite". C'est proportionnel au nombre de transistors.

J'ai passé une décennie à travailler dans une startup sur l'optimisation de l'alimentation. :) Il existe de nombreuses techniques: compromis vitesse / fuite ("grille métallique haute k"), désactivation complète de certaines parties du circuit, synchronisation d'horloge, réduction de la fréquence d'horloge, dimensionnement et placement.

— pjc50
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Les microprocesseurs à haute performance d'aujourd'hui en fait faire usage interconnexions en cuivre, avec des couches minces d'autres métaux pour empêcher le cuivre de réagir avec du silicium. L'aluminium est toujours utilisé sur des puces de processus moins complexes et plus gros, car il est beaucoup moins compliqué de travailler avec.

— Hobbs

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1) Chaque fois qu'il y a un courant, la chaleur est générée par les collisions des électrons. 2) Oui, généralement, la corrélation est linéaire. 3) Il est très peu probable que les fabricants de CPU optimisent la position des transistors individuels , afin de minimiser la chaleur générée (ils sont tous à l' intérieur du même boîtier).
Lorsqu'un CPU est "inactif", bien qu'il utilise un minimum de courant, il génère de la chaleur. Lorsque le processeur commence à "traiter" les informations, les transistors individuels commutent les états. Cette commutation génère également de la chaleur. De plus, la fréquence de commutation affecte le taux de génération de chaleur, plus la fréquence est élevée, plus le taux de génération de chaleur est élevé. Étant donné que la capacité de dissipation thermique de la puce est fixe, elle peut surchauffer si elle fonctionne à une fréquence supérieure à celle pour laquelle elle a été conçue.

— Guill
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il est simple, nous savons que, selon la loi des joules, chaque fois que l'électron traverse le conducteur, la chaleur produite en raison de la résistance du matériau parce que chaque conducteur a une certaine résistance.

— Abhay
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