Pourquoi les processeurs ont-ils besoin de tant de courant?

Je sais qu'un processeur simple (comme Intel ou AMD) peut consommer de 45 à 140 W et que de nombreux processeurs fonctionnent à 1,2 V, 1,25 V, etc.

Donc, en supposant qu'un processeur fonctionnant à 1,25 V et ayant un TDP de 80 W ..., il utilise 64 ampères (beaucoup d'amplis).

1. Pourquoi un processeur a-t-il besoin de plus de 1 A dans son circuit (en supposant des transistors FinFET)? Je sais que la plupart du temps, le processeur est inactif et que les 60 A sont tous des "impulsions" car le processeur a une horloge, mais pourquoi un processeur ne peut-il pas fonctionner à 1 V et 1 A?

2. Un transistor FinFET petit et rapide, par exemple: 14 nm fonctionnant à 3,0 GHz a besoin de combien d’ampères (environ)?

3. Un courant plus élevé fait-il que les transistors s'allument et / ou s'éteignent plus rapidement?

1. Les processeurs ne sont pas «simples», loin de là. Parce qu’ils ont quelques milliards de transistors, chacun d’entre eux aura quelques petites fuites au ralenti et devra charger et décharger une grille et une capacité de connexion dans d’autres transistors lors de la commutation. Oui, chacun tire un petit courant, mais lorsque vous le multipliez par le nombre de transistors, vous obtenez un nombre étonnamment élevé. 64A est déjà un courant moyen ... lors de la commutation, les transistors peuvent tirer beaucoup plus que la moyenne, ce qui est atténué par des condensateurs de dérivation. N'oubliez pas que votre chiffre de 64 A provient du TDP, ce qui en fait un RMS réellement de 64 A, et qu'il peut y avoir des variations importantes autour de cela à différentes échelles de temps (variation au cours d'un cycle d'horloge, variation au cours de différentes opérations, variation entre les états de veille, etc.). ). Également, vous pourrez peut-être vous débrouiller avec un processeur conçu pour fonctionner à 3 GHz sur 1,2 volt et 64 ampères à 1 volt et 1 amp ... mais peut-être même à 3 MHz. À ce stade, vous devez alors vous demander si la puce utilise une logique dynamique avec une fréquence d’horloge minimale. Dans ce cas, vous devrez peut-être l’utiliser à quelques centaines de MHz à un GHz et la passer périodiquement en veille profonde pour obtenir la moyenne. courant vers le bas. L'essentiel est que la puissance = performance. Les performances de la plupart des processeurs modernes sont en réalité thermiquement limitées. vous devrez peut-être l'exécuter à une fréquence de quelques centaines de MHz à un GHz et l'activer périodiquement en veille profonde pour réduire le courant moyen. L'essentiel est que la puissance = performance. Les performances de la plupart des processeurs modernes sont en réalité thermiquement limitées. vous devrez peut-être l'exécuter à une fréquence de quelques centaines de MHz à un GHz et l'activer périodiquement en veille profonde pour réduire le courant moyen. L'essentiel est que la puissance = performance. Les performances de la plupart des processeurs modernes sont en réalité thermiquement limitées.
2. Ceci est relativement facile à calculer - , où I est le courant, C est la capacité de charge, v est la tension,$I = C v \alpha f$$I$$C$$v$ est le facteur d'activité, et f est la fréquence de commutation. Je verrai si je peux obtenir des numéros approximatifs pour la capacité de grille d'un FinFET et son édition. $\alpha$$f$
3. Sorte de. Plus la capacité de la grille est chargée ou déchargée rapidement, plus le transistor commutera rapidement. Une charge plus rapide nécessite soit une capacité plus faible (déterminée par la géométrie), soit un courant plus important (déterminé par la résistance d'interconnexion et la tension d'alimentation). Les transistors individuels commutant plus rapidement, ils peuvent donc commuter plus souvent, ce qui entraîne un appel de courant plus important (proportionnel à la fréquence d'horloge).

Edit: so, http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf a un chiffre correspondant à la capacité de grille d’un FinFET à 25 nm. Je vais juste l'appeler 0,1 ff pour garder les choses simples. Apparemment, cela varie avec la tension de polarisation et cela variera certainement avec la taille du transistor (les transistors sont dimensionnés en fonction de leur fonction dans le circuit, tous les transistors ne seront pas de la même taille! mais ils ont également une capacité de grille plus élevée et nécessitent plus de courant à piloter).

En branchant 1,25 volts, 0,1 fF, 3 GHz et , le résultat est$\alpha = 1$$0.375 \mu A$. Multipliez cela par 1 milliard et vous obtenez 375 A. C'est le courant de grille moyen requis (charge par seconde dans la capacité de grille) pour commuter 1 milliard de ces transistors à 3 GHz. Cela ne compte pas le «tir au travers» qui se produira lors de la commutation dans la logique CMOS. C'est aussi une moyenne, donc le courant instantané peut varier beaucoup - pensez à la façon dont la consommation de courant diminue de manière asymptotique à mesure que le circuit RC se charge. Contourner les condensateurs sur le substrat, le boîtier et la carte de circuit imprimé pour lisser cette variation. Évidemment, il ne s’agit que d’un chiffre approximatif, mais cela semble être le bon ordre de grandeur. Cela ne prend pas non plus en compte le courant de fuite ou la charge stockée dans d'autres parasites (c.-à-d. Le câblage).

$\alpha$$\alpha = 1$$\alpha$$\alpha = 0.25$$\alpha$$\alpha = 0.000061$$\alpha$. C’est pourquoi la consommation d’énergie de la mémoire cache est généralement dominée par le courant de fuite, c’est-à-dire BEAUCOUP de transistors inactifs reposant sur des fuites au lieu de commuter.

Selon Wikipedia , les meilleurs processeurs publiés en 2011 avaient entre 0,5 et 2,5 milliards de transistors. En supposant qu'un CPU avec 1 milliard de transistors consomme 64A de courant, le courant moyen n'est que de 64nA par transistor. Si l’on considère des fréquences de fonctionnement de plusieurs GHz, c’est étonnamment peu.