¿Por qué una CPU genera calor?

 Informática / Hardware / Microprocesadores

¿Sabías que los chips de la CPU disipan más potencia por volumen que el núcleo del sol?

Un chip de la CPU es de aproximadamente 100 w/cc, o aproximadamente cien millones de vatios por metro cúbico. (¡Es bueno entonces que sean tan pequeños!)

El núcleo del sol opera a aproximadamente 277 vatios/metro cúbico, casi lo mismo que un buen montón de compost.

En realidad, la densidad de potencia de un ser humano es más alta que la del núcleo del sol, lo que realmente ayuda a imaginar qué tan grande es el sol.

En cuanto a por qué, principalmente es porque son rápidos. Los circuitos de la CPU realmente no tienen resistencias que usen el poder deliberadamente. En cambio, las entrañas de una CPU están hechas de lógica CMOS, que está compuesta de interruptores que están completamente abiertos (alta resistencia) o totalmente cerrados (baja resistencia).

Desafortunadamente, el cableado y los transistores tienen un poco de capacitancia, que es la capacidad de almacenar carga eléctrica.

A medida que los electrones se mueven a través de los cables, produce calor. En un pequeño chip de computadora, el área para disipar el calor no es muy grande y está concentrada. Por lo tanto, se calienta a alta temperatura.

Cada vez que un pequeño cable dentro del chip cambia de bajo a alto, tiene que cargarse. Cada vez que un pequeño cable pasa de alto a bajo, debe descargarse. Estos ciclos de carga y descarga transportan carga, una corriente eléctrica, y el paso de esa corriente a través de cables, incluso con baja resistencia, aparece como calor.

Cada ciclo de carga de una capacitancia C usa una energía de 1/2CV**2. Cuando se multiplica por la frecuencia de reloj de la CPU, se obtiene el consumo de potencia real del chip: 1/2CV**2 f, donde C es la capacidad total de la lógica que está conmutando.

Por lo tanto, el funcionamiento de una CPU a bajo voltaje ayuda a reducir la potencia y su funcionamiento a una frecuencia de reloj menor reducirá la potencia. Los diseñadores saben estas cosas, y usan "sincronización de reloj" para detener por completo el reloj en partes de la CPU que no están en uso en un momento dado, y los ingenieros de circuitos y semiconductores trabajan duro para reducir el voltaje necesario para una operación confiable. Sin embargo, a medida que introduces más lógica en el chip, y más núcleos, y cachés más grandes, y corren a frecuencias más altas, obtienen números bastante altos de potencia.

Sin embargo, hay una conexión interesante entre voltaje y frecuencia. Si se reduce la velocidad de un reloj de la CPU, funcionará a un voltaje más bajo. ¡Dos núcleos a la mitad de velocidad usan menos potencia que un núcleo a velocidad máxima! En la medida en que podamos descubrir cómo poner en paralelo nuestros programas, podemos ahorrar energía.