CPUにそれほど多くの電流が必要なのはなぜですか？

単純なCPU（IntelやAMDなど）は45〜140 Wを消費し、多くのCPUは1.2 V、1.25 Vなどで動作することを知っています。

したがって、CPUが1.25 Vで動作し、TDPが80 Wであると仮定すると、64アンペア（大量のアンペア）を使用します。

1. CPUの回路に1 Aを超える電流が必要な理由（FinFETトランジスタを想定）ほとんどの場合、CPUはアイドリングしており、CPUにはクロックがあるため60 Aはすべて「パルス」ですが、CPUが1 Vおよび1 Aで動作できないのはなぜですか。

2. たとえば、小型で高速なFinFETトランジスタ：3.0 GHzで動作する14 nmは、（およそ）何アンペア必要ですか？

3. 電流が大きいと、トランジスタのオン/オフが速くなりますか？

1. CPUは想像力の広がりによって「単純」ではありません。それらには数十億個のトランジスタがあり、各トランジスタにはアイドル時にわずかなリークがあり、スイッチング時に他のトランジスタのゲートと相互接続容量を充電および放電する必要があります。はい、それぞれに小さな電流が流れますが、それにトランジスタの数を掛けると、驚くほど大きな数になります。64Aはすでに平均電流です...スイッチング時、トランジスタは平均よりも多くの電流を引き込むことができ、これはバイパスコンデンサによって平滑化されます。64Aの数値はTDPから逆方向に動作して実際に64A RMSになっていることを思い出してください。多くの時間スケールで大きな変動が生じる可能性があります（クロックサイクル中の変動、異なる操作中の変動、スリープ状態間の変動など）。 ）。また、1.2ボルトで3 GHzで、1ボルトと1アンペアで64アンペアで動作するように設計されたCPUを実行することで逃げることができるかもしれません。その時点で、チップが最小クロック周波数のダイナミックロジックを使用するかどうかを心配する必要がありますが、数百MHzからGHzで実行し、定期的にディープスリープに切り替えて平均を取得する必要があるかもしれません現在のダウン。一番下の行は、電力=パフォーマンスです。最新のCPUのパフォーマンスは、実際には熱的に制限されています。そのため、平均電流を下げるために、数百MHzからGHzで実行し、定期的にディープスリープにサイクルする必要があります。一番下の行は、電力=パフォーマンスです。最新のCPUのパフォーマンスは、実際には熱的に制限されています。そのため、平均電流を下げるために、数百MHzからGHzで実行し、定期的にディープスリープにサイクルする必要があります。一番下の行は、電力=パフォーマンスです。最新のCPUのパフォーマンスは、実際には熱的に制限されています。
2. これは、比較的容易で計算することである- 、Iは電流であるが、Cは負荷容量であり、Vは電圧であり、αは、活性因子であり、fはスイッチング周波数です。FinFETのゲート容量の球数を取得して編集できるかどうかを確認します。 $I = C v \alpha f$$I$$C$$v$$\alpha$$f$
3. 並べ替え。ゲート容量の充電または放電が速いほど、トランジスタの切り替えは速くなります。充電を高速化するには、容量が小さい（ジオメトリによって決まる）か、電流が大きい（相互接続抵抗と電源電圧によって決まる）必要があります。個々のトランジスタがより速くスイッチングするということは、より頻繁にスイッチングできることを意味し、その結果、より多くの平均電流が流れます（クロック周波数に比例）。

編集：そのため、http：//www.synopsys.com/community/universityprogram/documents/article-iitk/25nmtriplegatefinfetswithraisedsourcedrain.pdfには、25nm FinFETのゲート容量の図があります。物事を単純にするために、0.1 fFと呼ぶことにします。どうやらそれはバイアス電圧によって変化し、トランジスタのサイズによって確実に変化します（トランジスタは回路内の目的に応じてサイズが決まりますが、すべてのトランジスタが同じサイズになるわけではありません！しかし、それらはまた、より高いゲート容量を持ち、駆動するためにより多くの電流を必要とします。

$\alpha = 1$$0.375 \mu A$。それに10億を掛けると、375 Aになります。これは、3 GHzで10億個のトランジスタをスイッチングするのに必要な平均ゲート電流（1秒あたりのゲート容量への充電）です。これは、CMOSロジックの切り替え中に発生する「シュートスルー」をカウントしません。これは平均値でもあるため、瞬間的な電流は大きく変化する可能性があります。RC回路が充電されるにつれて、消費電流が漸近的に減少することを考えてください。基板、パッケージ、および回路基板上のバイパスコンデンサは、この変動を滑らかにします。明らかにこれは単なる大まかな数字ですが、それは正しい規模のようです。また、これは、他の寄生要素（配線など）に蓄積されたリーク電流や電荷も考慮しません。

$\alpha$$\alpha = 1$$\alpha$$\alpha = 0.25$$\alpha$$\alpha = 0.000061$$\alpha$。そのため、キャッシュメモリの電力消費は通常、リーク電流によって支配されます。つまり、スイッチングの代わりにリークの周りに座っているアイドルトランジスタがたくさんあります。

ウィキペディアによると、2011年にリリースされたトップCPUには、約5億から25億個のトランジスタがありました。10億個のトランジスタを搭載したCPUが64Aの電流を消費すると仮定すると、平均電流はトランジスタあたりわずか64nAです。数GHzの動作周波数を考慮すると、実際には驚くほど少ないです。