プロセッサが熱くなるのはなぜですか？

計算プロセスがプロセッサーを熱くする方法を理解したいと思います。熱はトランジスタによって発生することを理解しています。

1. トランジスターはどのように正確に熱を生成しますか？
2. チップ数と発生する熱の相関は線形ですか？
3. CPUメーカーは、発生する熱を最小限に抑えるために、単一のトランジスタの位置を最適化しますか？

トランジスタ（最新のICではFET）は、完全なオフから完全なオンに瞬時に切り替わることはありません。オンまたはオフになっている期間には、FETが抵抗器のように機能する期間があります（完全にオンの場合でも、抵抗が残っています）。

ご存じのように、抵抗に電流を流すと熱が発生します（またはP = V $P=I^2R$）。$P=\frac{V^2}{R}$

トランジスタのスイッチングが多いほど、その抵抗状態で費やす時間は長くなるため、より多くの熱が発生します。そのため、発生する熱の量はトランジスタの数に直接比例する可能性がありますが、どのトランジスタが何をいつ実行するかに依存し、それはチップに何を指示するかに依存します。

はい、製造業者は、ブロックが発生する可能性のある熱に応じて、設計の特定のブロック（個々のトランジスタではなく、完全な機能を形成するブロック）を特定の領域に配置できます。熱を発生する可能性のある別のブロックから離れます。また、チップ内の配電を考慮する必要があるため、ブロックを任意に配置することが常に可能であるとは限らないため、妥協する必要があります。

超伝導体ではないものに流れる電流はすべて熱を発生します。チップでは、ほとんどがアルミニウムの「金属」層に流れています（銅ではないのはなぜですか？

電流が流れる原因は何ですか？トランジスタの状態が変化するたびに、これはコンデンサ（駆動される論理ゲートのFETゲートと寄生ワイヤの静電容量）としてモデル化され、前のゲートのワイヤと出力FETを介して充電/放電されます。これは「スイッチング」または「動的」電力です。スイッチング速度と電圧の2乗に比例します。したがって、効率を高めるために5Vから3.3Vから1.8Vに駆動します。

絶縁体は完全ではなく、一部の場所では非常に薄いです。トランジスタが完全に「オフ」にならない場合があります。FETのメガオームのオフ抵抗があり、100万個を並列に配置すると、1オームの抵抗のように見えます。これが「漏洩」電力です。トランジスタの数に比例します。

私は10年間、電力の最適化に関するスタートアップで働いていました。:)速度/リークのトレードオフ（「高kメタルゲート」）、回路の一部を完全にオフにする、クロックゲーティング、クロック周波数の低減、サイズ変更、配置などのテクニックがあります。

1）電流が流れると、電子の衝突により熱が発生します。2）はい、通常、相関関係は線形です。3）CPUメーカーが個々のトランジスタの位置を最適化して、発生する熱を最小限に抑えることはほとんどありません（それらはすべて同じケーシング内にあります）。
CPUが「アイドル」の場合、最小量の電流を使用しますが、発熱します。プロセッサが情報の「処理」を開始すると、個々のトランジスタが状態を切り替えます。この切り替えも熱を発生させます。また、スイッチング周波数は熱発生率に影響を与え、周波数が高いほど熱発生率が高くなります。チップの熱放散能力は固定されているため、動作するように設計されたよりも高い周波数で動作すると、チップが過熱する可能性があります。

ジュールの法則によると、電子が導体を流れるたびに、すべての導体にある程度の抵抗があるため、材料の抵抗により熱が発生することがわかります。