¿Por qué las CPU necesitan tanta corriente?

Sé que una CPU simple (como Intel o AMD) puede consumir 45-140 W y que muchas CPU funcionan a 1.2 V, 1.25 V, etc.

Entonces, suponiendo que una CPU funcione a 1.25 V y tenga un TDP de 80 W ... usa 64 Amps (muchos amperios).

1. ¿Por qué una CPU necesita más de 1 A en su circuito (suponiendo los transistores FinFET)? Sé que la mayoría de las veces la CPU está inactiva, y los 60 A son todos "pulsos" porque la CPU tiene un reloj, pero ¿por qué una CPU no puede funcionar a 1 V y 1 A?

2. Un transistor FinFET pequeño y rápido, por ejemplo: 14 nm que funcionan a 3.0 GHz necesita ¿cuántos amperios (aproximadamente)?

3. ¿Una corriente más alta hace que los transistores se enciendan y / o apaguen más rápidamente?

1. Las CPU no son 'simples' por ningún tramo de la imaginación. Debido a que tienen unos pocos miles de millones de transistores, cada uno de ellos tendrá una pequeña fuga al ralentí y tendrá que cargar y descargar la compuerta e interconectar la capacitancia en otros transistores al cambiar. Sí, cada uno extrae una pequeña corriente, pero cuando multiplica eso por la cantidad de transistores, termina con una cantidad sorprendentemente grande. 64A ya es una corriente promedio ... al cambiar, los transistores pueden consumir mucho más que el promedio, y esto se suaviza mediante condensadores de derivación. Recuerde que su cifra de 64A vino de trabajar hacia atrás desde el TDP, lo que hace que realmente sea 64A RMS, y puede haber una variación significativa en muchas escalas de tiempo (variación durante un ciclo de reloj, variación durante diferentes operaciones, variación entre estados de suspensión, etc. ) También, es posible que pueda ejecutar una CPU diseñada para funcionar a 3 GHz con 1,2 voltios y 64 amperios a 1 voltio y 1 amperio ... tal vez a 3 MHz. Aunque en ese momento, debe preocuparse si el chip utiliza una lógica dinámica que tiene una frecuencia de reloj mínima, por lo que tal vez deba ejecutarlo a unos cientos de MHz a GHz y ponerlo en reposo profundo periódicamente para obtener el promedio corriente abajo. La conclusión es que potencia = rendimiento. El rendimiento de la mayoría de las CPU modernas es realmente limitado térmicamente. entonces tal vez tendrías que ejecutarlo a unos cientos de MHz a GHz y ponerlo en ciclo de sueño profundo periódicamente para reducir la corriente promedio. La conclusión es que potencia = rendimiento. El rendimiento de la mayoría de las CPU modernas es en realidad térmicamente limitado. así que tal vez tendrías que ejecutarlo a unos cientos de MHz a GHz y ponerlo en reposo profundo periódicamente para reducir la corriente promedio. La conclusión es que potencia = rendimiento. El rendimiento de la mayoría de las CPU modernas es realmente limitado térmicamente.
2. Esto es relativamente fácil de calcular: , donde I es la corriente, C es la capacidad de carga, v es el voltaje, $I = C v \alpha f$$I$$C$$v$$\alpha$ es el factor de actividad es la frecuencia de conmutación. Veré si puedo obtener números de estadio para la capacitancia de compuerta de un FinFET y editar. $f$
3. Más o menos. Cuanto más rápido se cargue o descargue la capacitancia de la puerta, más rápido cambiará el transistor. La carga más rápida requiere una capacidad menor (determinada por la geometría) o una corriente mayor (determinada por la resistencia de interconexión y el voltaje de alimentación). Los transistores individuales que cambian más rápido significan que pueden cambiar con más frecuencia, lo que resulta en un consumo de corriente más promedio (proporcional a la frecuencia del reloj).

Editar: entonces, http://www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdf tiene una cifra para la capacidad de la puerta de un FinFET de 25nm. Solo voy a llamarlo 0.1 fF en aras de mantener las cosas simples. Aparentemente varía con el voltaje de polarización y ciertamente variará con el tamaño del transistor (los transistores se dimensionan de acuerdo con su propósito en el circuito, ¡no todos los transistores serán del mismo tamaño! Los transistores más grandes son 'más fuertes' ya que pueden cambiar más corriente, pero también tienen una capacitancia de puerta más alta y requieren más corriente para conducir).

Conectando 1.25 voltios, 0.1 fF, 3 GHz y , el resultado es 0.375 μ $\alpha = 1$$0.375 \mu A$. Multiplique eso por mil millones y obtendrá 375 A. Esa es la corriente promedio de puerta requerida (carga por segundo en la capacitancia de la puerta) para cambiar mil millones de estos transistores a 3 GHz. Eso no cuenta 'disparar', lo que ocurrirá durante el cambio en la lógica CMOS. También es un promedio, por lo que la corriente instantánea puede variar mucho; piense en cómo el consumo de corriente disminuye asintóticamente a medida que se carga un circuito RC. Condensadores de derivación en el sustrato, paquete y placa de circuito con suavizar esta variación. Obviamente, esto es solo una cifra aproximada, pero parece ser el orden de magnitud correcto. Esto tampoco considera la corriente de fuga o la carga almacenada en otros parásitos (es decir, el cableado).

$\alpha$$\alpha = 1$$\alpha$$\alpha = 0.25$$\alpha$$\alpha = 0.000061$$\alpha$. Por lo tanto, por qué el consumo de energía de la memoria caché generalmente está dominado por la corriente de fuga, es decir, MUCHOS transistores inactivos simplemente sentados con fugas en lugar de cambiar.

Según Wikipedia , las principales CPU lanzadas en 2011 tenían entre 0,5 y 2,5 mil millones de transistores. Suponiendo que una CPU con mil millones de transistores consume 64 A de corriente, la corriente promedio es de solo 64 nA por transistor. Teniendo en cuenta las frecuencias de operación de varios GHz, en realidad es sorprendentemente poco.