¿Por qué se calienta un procesador?

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Me gustaría entender cómo el proceso de cálculo hace que el procesador se caliente. Entiendo que el calor es generado por los transistores.

¿Cómo generan los transistores el calor exactamente?
¿La correlación entre el número de chips y el calor generado es lineal?
¿Los fabricantes de CPU optimizan las posiciones de los transistores individuales para minimizar el calor generado?

— sintagma
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El cambio de calor de las cajas y, por lo tanto, la velocidad del reloj también tiene una relación directa con el calor generado.

— nidhin

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En la práctica, los chips reales se calientan debido al movimiento de la electricidad a través de un conductor resistente, como se señala en las respuestas. Pero si este tema le interesa, es posible que desee leer acerca de cómo la creación de información binaria en sí misma requiere necesariamente la creación de calor residual; Un buen ensayo que no requiere mucha física se puede encontrar aquí plato.stanford.edu/entries/information-entropy

— Eric Lippert

No tengo las matemáticas para responder adecuadamente (y para explicar el comentario de Eric), pero hay implicaciones para esta pregunta en la computación cuántica y las puertas reversibles . Hay "kT ln (2) energía disipada por operación de bit irreversible". Parte del principio de Landauer . Si es así (A & B), tiene dos entradas y una salida. Esa información que se pierde en este proceso tiene que ir a algún lado y convertirse en entropía (calor) ... suponiendo que la haya entendido lo suficiente como para describir esto.

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Un transistor (FET, en circuitos integrados modernos) nunca cambia instantáneamente de apagado completo a encendido completo. Hay un período mientras se enciende o apaga donde el FET actúa como una resistencia (incluso cuando está completamente ENCENDIDO todavía tiene una resistencia).

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

Cuanto más cambian los transistores, más tiempo pasan en ese estado resistivo, por lo que generan más calor. Por lo tanto, la cantidad de calor generado puede ser directamente proporcional al número de transistores, pero también depende de qué transistores estén haciendo qué y cuándo, y eso depende de lo que se le indique al chip.

Sí, los fabricantes pueden colocar bloques específicos de su diseño (no transistores individuales, sino bloques que forman una función completa) en ciertas áreas dependiendo del calor que pueda generar ese bloque, ya sea para colocarlo en una ubicación con mejor unión térmica o para colocar lejos de otro bloque que pueda generar calor. También deben tener en cuenta la distribución de energía dentro del chip, por lo que colocar bloques arbitrariamente no siempre es posible, por lo que deben llegar a un compromiso.

— Majenko
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Existen muchos factores que contribuyen a la producción de calor en una CPU. El hecho de que esta respuesta no mencione su favorita no significa que esté equivocada. Sugiero que, en lugar de rechazar las respuestas perfectamente válidas, intente escribir su propia respuesta. Si es mejor que este, la comunidad decidirá y obtendrá más votos.

— Majenko

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Así que inclínelo dando a las personas una mejor respuesta para poner sus votos en lugar del mío.

— Majenko

Lo haré, pero no tendré tiempo por un tiempo (días). Por ahora, estoy de acuerdo en que el calor se genera por pérdidas resistivas. Sin embargo, no creo que su respuesta dé una comprensión muy profunda.

— HKOB

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Todo el flujo de corriente en cualquier cosa que no sea un superconductor genera calor. En los chips, fluye principalmente en capas de "metal" de aluminio (¿por qué no cobre? Resulta que la interacción química desagradable con otras partes del silicio).

¿Qué hace que fluya la corriente? Cada vez que un transistor cambia de estado, esto se puede modelar como un condensador (la puerta FET de la puerta lógica impulsada más la capacitancia del cable parásito) que se carga / descarga a través del cable y la salida FET de la puerta anterior. Esto es "conmutación" o potencia "dinámica". Es proporcional a la velocidad de conmutación y al cuadrado del voltaje; Por lo tanto, la unidad de 5V a 3.3V a 1.8V para una mejor eficiencia.

Los aisladores no son perfectos, y en algunos lugares son muy delgados. Los transistores pueden no estar completamente "apagados". Si un FET tiene una resistencia desactivada de un megaohm, y pones un millón de ellos en paralelo, parece una resistencia de 1 ohm. Este es el poder de "fuga". Es proporcional al número de transistores.

Pasé una década trabajando en una startup en optimización de energía. :) Hay muchas técnicas: compensaciones de velocidad / fuga ("puerta de metal de alta k"), desconexión de partes del circuito por completo, activación del reloj, reducción de la frecuencia del reloj, dimensionamiento y colocación.

— pjc50
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Los microprocesadores de alto rendimiento de hoy en realidad hacen uso de interconexiones de cobre, con capas delgadas de otros metales para evitar que el cobre a partir de reaccionar con el silicio. Sin embargo, el aluminio todavía se usa en chips de proceso menos complejos y más grandes, ya que es mucho menos complicado trabajar con él.

— hobbs

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1) Cada vez que hay flujo de corriente, el calor es generado por las colisiones de los electrones. 2) Sí, generalmente, la correlación es lineal. 3) Es muy poco probable que los fabricantes de CPU optimicen la posición de los transistores individuales , para minimizar el calor generado (todos están dentro de la misma carcasa).
Cuando una CPU está "inactiva", aunque utiliza una cantidad mínima de corriente, genera calor. Cuando el procesador comienza a "procesar" la información, los transistores individuales cambian de estado. Este cambio también genera calor. Además, la frecuencia de conmutación afecta la tasa de generación de calor, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la tasa de generación de calor. Dado que la capacidad de disipación de calor del chip es fija, puede sobrecalentarse si funciona a una frecuencia más alta de la que fue diseñada para funcionar.

— Guill
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Es simple, sabemos que de acuerdo con la ley de julios, cada vez que el electrón fluye a través del conductor, el calor se produce debido a la resistencia del material porque cada conductor tiene cierta cantidad de resistencia.

— Abhay
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