なぜ熱産生は、CPU増加のclockrateとして増加していますか？

マルチコアの議論全体が私を考えさせました。

2つのコアを（1つのパッケージで）作成する方がはるかに簡単で、1つのコアを2倍に高速化します。なぜこれが正確ですか？私は少しグーグルで調べましたが、基本的な物理学を説明していないオーバークロックボードからの非常に不正確な答えがほとんど見つかりました。

電圧の影響が最も大きいようです（2次）が、より速いクロックレートが必要な場合、CPUをより高い電圧で実行する必要がありますか？また、半導体回路が特定のクロック速度で動作するときに半導体回路が正確に（そしてどの程度）発熱するかを知りたいです。

クロックがカチカチするたびに、たくさんのコンデンサを充電または放電しています。コンデンサを充電するためのエネルギーは次のとおりです。

E = 1/2*C*V^2

どこCが静電容量でVあり、充電された電圧です。

あなたの周波数であればf[Hz]、あなたは持っているf秒あたりのサイクルを、そしてあなたの力は次のようになります。

P = f*E = 1/2*C*V^2*f

それが、パワーが周波数に比例して上昇する理由です。

電圧とともに二次的に上昇することがわかります。そのため、常に可能な限り低い電圧で実行する必要があります。ただし、周波数を上げるには電圧も上げる必要があります。これは、周波数が高いほど高い動作電圧が必要になるため、電圧が周波数に比例して上昇するためです。

このため、電力はf^3（またはのようにV^3）上昇します。

これで、コアの数を増やすと、基本的に静電容量が増えますC。これは電圧と周波数に依存しないため、電力はとともに直線的に上昇しCます。そのため、周波数を上げるよりもコアの数を増やす方が電力効率が高くなります。

なぜ周波数を上げるために電圧を上げる必要があるのですか？さて、コンデンサの電圧は次のように変化します。

dV/dt = I/C

I現在はどこですか。だから、高い電流は、より速くあなたがその「オン」電圧に、トランジスタのゲート容量を充電することができます（電圧が動作電圧に依存しない「オン」）、そしてより速くあなたが上のトランジスタを切り替えることができます。電流は動作電圧に比例して増加します。そのため、周波数を上げるには電圧を上げる必要があります。

非常に基本的に：

• トランジスタは、より多くの電圧を印加すると、より速く切り替わります。
• 最新のICは、ある状態から次の状態（クロック刻みで）に切り替わるときにほとんどの電力を消費しますが、同じ状態を維持するために電力を消費しません（まあ、漏れがあるため、正確に電力が供給されません）。秒あたりのスイッチあなたは、あなたが消費するより多くの電力を持っています。

プロセッサアーキテクチャのすべての詳細に関する非常に良い本：コンピュータの構成と設計：David A. Patterson、John L. Hennessy。

トランジスタが状態を切り替えるたびに、電流が消費されます。より高い周波数の手段より高速スイッチング、より多くの電流が無駄になります。そして、すべてのインピーダンスがそれを熱に変換します。P = I ^ 2 * Rおよびそのすべて。PはV ^ 2 / Rです。しかしこの場合、あなたは本当に時間をかけて平均VとIが計算できるようにしたいと思います、そして、それは、電圧と電流の両方に二次だろう。

1）2つのコアと1つのコアの高速化1つのコア
を高速化するには、ある状態から別の状態へのトランジスタスイッチングを高速化する新しいテクノロジが必要です。別のコアを追加するには、同じトランジスタをもっと必要とするだけです。

2）熱
電力損失は熱の形です。電力=電圧*電流。電圧=抵抗*電流。電力=電圧^ 2 /抵抗。したがって、放散される熱は電圧の2乗に比例します。

さて、電力には、無効電力と有効電力の2種類の電力があります。一部の人々は無効電力ダイナミックパワーを呼び出します。無効電力が消費または損失されることはありません。たとえば、理想的なコンデンサが理想的なロスレスワイヤによってAC電圧源に接続されている場合、コンデンサは充電と放電を行い、1サイクルで発電機からエネルギーを取り出し、次のサイクルで発電機にエネルギーを返します。純損失はゼロです。

ただし、ワイヤが非理想的で抵抗性の場合、コンデンサの充電および放電中にエネルギーがワイヤで消費されます。この消費電力は実際の電力損失であり、回復することはできません。クロックレートが上がると、充電と放電のレートが上がり、ワイヤの電力損失が増加します。

トランジスタのゲートは、コンデンサのように振る舞います。クロックレートが上がると、より多くの無効電力がコンデンサに供給されます。抵抗線で失われる部分も増えます。

これまで言及されていないことの1つは、チップがより高速になり、それらを作成するためのリソグラフィープロセスがコンポーネントを小さくすることです。それらは非常に小さくなったため、場合によっては数原子の幅になります。現在、かなりの電流漏れがあり、一般に熱として放散されます。

回路の状態をすばやく切り替えるには、ゆっくり切り替えるよりも多くの電流が必要です。その電流を実現するには、より高い電圧および/またはより大きく、より電力が不足するコンポーネントが必要です。そしてもちろん、より大きなコンポーネントはより多くの駆動電流を必要とし、雪だるま効果を引き起こします。

（興味深いことに、最新のScientific American（2011年7月）には、人間の脳に関するこのトピックを取り上げた記事がありました。同じ原理で、人間の脳がより強力にパックする方法の1つは、脳をサブプロセッサに分割することです。いわば。）