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

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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?

Leonardo Bosquett
la source
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Les processeurs modernes (dont aucun n'est «simple») nécessitent plusieurs rails de tension, chacun avec ses propres exigences d'alimentation. Votre question repose sur de nombreuses hypothèses et comporte de nombreuses déclarations erronées. Vous devez prendre en compte toutes les exigences en matière d’alimentation, et pas seulement celles d’un rail unique.
Wossname
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Compter un transistor FinFET sur un processeur moderne. Tous les FET ne conduisent pas le courant de Vdd à la terre, mais néanmoins, 64 A sont répartis sur * un très grand nombre * de ces FET à commutation.
glen_geek
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@EricLippert "il faudrait retirer 64 ampères du mur" - je soupçonne le processeur de ne pas fonctionner sur 110 V.
Andrew Morton
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La quantité conservée est de l'énergie, et en moyenne également de l'énergie. Si un processeur consomme 64 Watt, le bloc d'alimentation doit utiliser au moins 64 Watt de la prise. C'est <1A même à 110V.
MSalters
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@EricLippert La carte mère de votre ordinateur contient un convertisseur multiphase CC / CC qui augmente la tension d'alimentation (12 V dans le cas d'un ordinateur de bureau, probablement 12 à 19 V dans le cas d'un ordinateur portable) jusqu'à la tension d'alimentation centrale. Ceci est fait avec une puissance constante, de sorte que le courant de sortie finit par être 10 à 20 fois supérieur au courant d'entrée. Sans oublier l'alimentation 12V d'un ordinateur de bureau provient également d'une alimentation à découpage qui convertit également à puissance constante. Le processeur de votre ordinateur dispose probablement d'au moins 100 broches d'alimentation et de terre pour gérer le courant.
alex.forencich

Réponses:

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  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=CvαfICv 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. αf
  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 estα=10.375μA. 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).

αα=1αα=0.25αα=0.000061α. 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.

alex.forencich
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1V 1A n'est pas une cible étrange, les processeurs ARM sont généralement spécifiés en mW / MHz. À titre de comparaison, l'ensemble du Raspberry Pi A + utilise 1 Watt, y compris un processeur de 700 Mhz - bien plus que le maigre 3 Mhz suggéré
MSalters
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Il est plus utile de parler de "MIPS par watt", car la quantité de travail effectué par cycle d'horloge varie énormément.
pjc50
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Cela dépend de ce que la puce est conçue pour faire. Une puce avec un TDP de 80W conçu pour fonctionner à 3 GHz à 1,2 volt pourrait peut-être fonctionner sur 1V et 1A ... mais à 1V vous allez devoir baisser considérablement la vitesse et l'obtenir Je vais devoir baisser encore plus la vitesse. Dans ce cas, vous n'allez pas vous approcher de 3 GHz. Je n'ai aucune idée de ce que vous pourriez réellement réaliser, car je ne l'ai pas essayé moi-même. Peut-être que 3 MHz est un peu pessimiste pour un i7 à 1V et 1A. Maintenant, il est certainement possible de concevoir une puce pour fonctionner à ce niveau de puissance, comme vous l'avez mentionné.
alex.forencich
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Ils ne sont pas simples. En fait, ils sont l’une des choses les plus complexes que nous ayons jamais construites.
joojaa
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Les processeurs Intel / AMD modernes utilisent au moins une logique dynamique qui ne fonctionnerait pas si elle était trop basse . Intel Skylake (par exemple) a un point de fréquence / tension efficace minimum. Pour atteindre des niveaux de puissance / débit encore plus bas pour le SoC, le cœur bascule en mode veille et veille à un cycle de travail variable (> = 800 us à peut-être ~ 1 GHz (le plus efficace f), repos en veille). Voir le discours de puissance-gestion de Skylake IDF2015 d'Efraim Rotem, à environ 53 minutes
Peter Cordes
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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.

Dmitry Grigoryev
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Est-ce que pour une fréquence de fonctionnement plus élevée du processeur requis un courant plus élevé?
Lu Ka
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II0+kfCV2
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À ce stade, nous pouvons mettre plus de transistors sur un processeur que nous ne pouvons en utiliser simultanément sans le faire fondre. Ainsi, à tout moment, une partie importante de la puce est constituée de Dark Silicon : non alimenté, mais en attente d'utilisation, tandis que d'autres parties de la puce (avec différentes fonctions spécialisées) sont mises hors tension. Par exemple, le matériel vectoriel à virgule flottante, les multiplicateurs d'entiers vectoriels et les unités de lecture aléatoire vectorielle ne peuvent pas tous être saturés simultanément, mais ils ont chacun un débit élevé lorsqu'ils sont utilisés seuls. En outre, les grandes caches ne changent pas beaucoup.
Peter Cordes
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Ceci est un facteur important pour que les processeurs gagnent de plus en plus de matériel spécialisé, tel que les instructions cryptées AES et SHA, et le processeur BMI2 d’Intel (en particulier l’ extraction / le dépôt de bits PEXT / PDEP ). Un aspect du budget des transistors qui peut accélérer certaines charges de travail mais ne doit pas nécessairement être sous tension lorsqu'il n'est pas utilisé.
Peter Cordes