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Hardware => CPU => Thema gestartet von: Iceberg am 02. April 2007, 22:35:20

Titel: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Iceberg am 02. April 2007, 22:35:20
Momentan schreibe ich grad mein Referat über Wasserkühlung im PC und bin somit auf die Frage gestoßen, warum bei steigender Taktfrequenz und/oder steigender Vcore die Wärmeabgabe der CPU steigt.

her mit euren Senfen :D
so, jetzt hätt ich es fast geschafft, alles in einen Satz zu packen  :nut:

btw, hab in wikipedia folgendes gefunden:
Zitat
Mit Undervolting bezeichnet man das gezielte Absenken der Versorgungsspannung von Computer-Prozessoren unter die vom Hersteller empfohlene Spannung. Dies führt zu einer verminderten Leistungsaufnahme, also weniger Stromverbrauch und weniger Erwärmung.

Ist aber auch noch nicht die richtige Antwort.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: muracha am 02. April 2007, 22:38:46
ich würde es so erklären, dass sich die transistoren mehr bewegen und so mehr bewegungsenergie frei wird, welche sich in wärme wiederspiegelt :P
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Iceberg am 02. April 2007, 22:40:24
Erst0r:

Zitat
Durch einen höheren Takt und vor allem die erhöhte Spannung wird die Elektromigration begünstigt, was z. B. als Sudden Northwood Death Syndrome bekannt wurde. Die Verlustleistung steigt linear mit dem Takt und exponentiell mit der Spannung.

Quelle:
http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cbertakten (http://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cbertakten)

weitere Links im Text:
http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromigration (http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromigration)
http://de.wikipedia.org/wiki/Sudden_Northwood_Death_Syndrome (http://de.wikipedia.org/wiki/Sudden_Northwood_Death_Syndrome)

@ muracha: Transistoren bewegen sich in der CPU nicht  :haue:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: amduser am 02. April 2007, 22:59:47
er meint doch die elektronen bzw. der elektronenfluss, der die elktromagnische schwingung erzeugt die wir dann unterteilen in peak und down (1 und 0) und dann regesiert wird. zumindest so ähnlich (ist ne abwandlung von ner sinusfunktion, irgentwie sinus von 1/x oder so). naja, und wenn der takt erhöht wird, dann wird der elektronenfluss erhöht, folglich müssen quasi mehr elektronen beschleunigt werden und man braucht mehr energie. also erhöht man quasi den wiederstand von dem teil, bei gleich bleibender energie. dem kann man z.b. entgegenwirken durch besser kühlung, was sozusagen erklärt, wieso cpu'S bei besser kühlung eine höhere lebenserwartung haben und sich besser übertackten lassen. man verringert also den wiederstand, den die cpu erzeugt. wenns genauer werden soll, kann ich das morgen machen. bin gerade echt total kaput und nicht in der verfassung das 100% genau zu formulieren.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Master Luke am 02. April 2007, 23:03:06
wenns genauer werden soll, kann ich das morgen machen. bin gerade echt total kaput und nicht in der verfassung das 100% genau zu formulieren.

yo, machs genauer... denn wenn man deine worte in nen eimer schmeisst, schüttelt und ausschüttet, dann ists sogar richtig :D

wenn ich zeit finde, mache ich es morgen vor dir. ;)
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: muracha am 02. April 2007, 23:03:37
 :redface: ich dacht das sind transistoren  :slam:
aber in ansätzen wars doch richtig  :clown:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Fantometer am 02. April 2007, 23:04:41
ist aber afaik schon alles zusammengefasst.. ;)   http://de.wikipedia.org/wiki/Verlustleistung (http://de.wikipedia.org/wiki/Verlustleistung)  <- da steht auch noch mehr
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Iceberg am 02. April 2007, 23:25:44
hmm, das von amduser is schon recht hilfreich. Währ aber gut, wenns noch einer mit klarem kopf ausformuliert. Ist ja doch nicht ganz Irre-elevant für mein Referat...

btw @ amduser:
peak und down? 1 und 0?
ich glaub du meinst hig und low, logisch 1 und logisch 0, ein und aus^^

Peak ist eine spitze, ein kurzzeitiger, hoher ausschlag. Ein Impuls eben (unendlich hoch und unendlich schmal... theoretisch zumindest).

Ich denke du wolltest eine Frequenz erklären, kann das sein? Oder meinst (mehr oder weniger) nicht gewollte Spannungen?
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: dennisstrehl am 03. April 2007, 01:27:30
In CPUs werden MosFETs verwendet. Um MosFETs umzuschalten, muss das Gate umgeladen werden. Das Gate wirkt dabei wie ein kleiner Kondensator.

Mehr Takt => Mehr Schaltvorgänge => Mehr Umladvorgänge => Mehr Strom nötig.
Mehr Strom bei gleicher Spannung => Mehr elektrische Leistung die in die CPU rein geht und als Wärme abgegeben wird.

Das ist das was ich mal gelesen hab und mir sehr schlüssig erscheint.

Edit: Vielleicht noch was zur VCore:
Mit mehr VCore werden diese Gate-Kapazitäten auch auf eine höhere Spannung geladen. Für die Energie in einem Kondensator gibt's ne Formel (U²*C*irgendeine Konstante), daran kann man sehen dass mit höherer Spannung die Energie zum Umladen quadratisch ansteigt.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: nemon am 03. April 2007, 13:08:37
jap, dennis hat recht. in einem Prozessor sind bekannterweise abermillionen feldeffekttransistoren verbaut. deren gate bildet mit der sperrschicht einen kondensator von zugegebenermaßen kleiner kapazität (selbst bei leistungsfets ist diese kapazität nur im bereich 1-100pF), aber die kapazität multipliziert sich mit der anzahl an transistoren, immerhin >>100mio stk., und der taktfrequenz, ebenfalls mit >1mrd. schaltvorgängen/s seh hoch. dies ist ein linearer zusammenhang, natürlich vorausgesetzt, dass die gleichen berechnungen durchlaufen, also je takt gleich viele transistoren durchschalten, denn wenn es nichts zu berechnen gibt, stehen die transistoren quasi still und schalten nicht, es fließt also kein strom zum umladen, und die stromaufnahme sinkt deutlich spürbar. es gilt: I = Q / t und Q = Qgate * Nfet * f => I = Qgate * nfet * f / t, bei t nehmen wir praxishalber mal 1 sekunde an, dann fällt die einheit sekunde schonmal raus, da die frequenz die einheit 1/s hat, die frequenz bleibt dann als einheitenloser faktor, nennen wir ihn mal k zurück. => I = Qgate * Nfet * k. hier sieht man gut das lineare verhalten des stroms zur taktfrequenz. die energie eines kondensators ist: W = 0,5 * C * U², die Leistung des prozessors ist damit W = 0,5 * Cfet * Ucore² * Nfet * k. und was sieht man hier alles in allem schön? wieder, dass der strom linear zur frequenz steigt, und auch quadratisch zur versorgungsspannung. dies bedeutet, dass eine frequenzanhebung anfangs deutlich mehr stromverbrauch produziert, bei fortschreitendem oc aber die stark ansteigende leistungsabgabe durch die spannungserhöhung. nehmen wir mal ein krasses beispiel, eine cpu wird mit 40% mehr vcore (macht dann etwa faktor wurzel2) und doppeltem takt betrieben. demnach vervierfacht sich die leistungsabgabe !!! wer es also an die grenzen treibt, braucht nicht nur einen cognag beim öffnen der stromrechnung, auch ein anständiges netzteil und insbesondere eine vielphasig ausgelegte und richtig dimensionierte spannungsversorgung auf dem mainboard.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Master Luke am 03. April 2007, 14:02:05
eben,

deswegen taktet man ja auch solange mit standard-VCore und schnallt zur not ne wakü druff, bis es net mehr geht. durch moderate spannungserhöhung kann man die grenzen des taktes noch weiter ausloten. aber hier muss man ganz klar beachten - wie nemon sehr gut anhand der formeln beschrieb - dass die geschichte physikalische grenzen hat!

also immer daran denken: direkt proportional zum quadrat!

edit: dafür, dass ich die elektronik-vorlesung vor 4 jahren hatte, habe ich erstaunlich gut alles gleich kapiert.  :crazy:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Iceberg am 03. April 2007, 18:56:32
guut,
danke @ nemon für die ausführliche erklärung und danke ebenfalls an alle anderen.

ML.: joa, habs sogar ohne elektronik-vorlesung verstanden  :crazy:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Fantometer am 03. April 2007, 19:06:39
das habe ich mir verkniffen zu sagen :lol1:  aber ich habe es mit "nur" zwei Monaten Elektromechaniker Lehre verstanden,

und halt IT-System-Kaufmanns Ausbildung und Jahre der Lötarbeiten für meinen Vater *hust*
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Master Luke am 03. April 2007, 19:17:35
ach, ihr nasen könnt auch was mit den formeln anfangen? herleitung usw?  auch DAS meinte ich....
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Fantometer am 03. April 2007, 20:01:25
das ist doch nur was für die Bücher :tomato:

edit by ML: ihr seidse doof  :clown:


edit by Phanto:   :coolsmiley:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: waterburn am 03. April 2007, 21:23:35
@nemon Kann es sein, dass du dich bei deiner letzen Formel verschrieben hast? Müsste es nicht heißen I = 0,5 * Cfet * Ucore² * Nfet * k? Denn imho sind sowohl W als auch Q Energiemengen d.h., dass du in der Formel I = Qgate * Nfet * k
Qgate durch 0,5 * C * U² ersetzen kannst. Wenn dem so wäre könnte ich das ganze nachvollziehen. Wenn dem nicht so sein sollte hab ich das ganze leider nicht verstanden.
cu
waterburn
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: M0rre am 03. April 2007, 22:30:54
omg da muss man ja nachdenken  :nut:

naja werde wol auch nochmal merken das es irgendwann erfolderlich ist :D

bis jetzt bin ich ja fast ohne durchgekommen ;)
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: dennisstrehl am 03. April 2007, 22:31:56
Q ist eine Ladungsmenge, Einheit ist C ( Coulomb ). Kann man umformen in Ampere*Sekunde.

W steht in diesem Fall für die Arbeit ( Work ). Wird in Joule = Wattsekunden = Volt*Ampere*Sekunde angegeben.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: muracha am 03. April 2007, 22:43:59
ich glaub ich habs auch verstanden ^^ (halb  :redface: )
das einzige was ich noch gerne wissen würde ist, wofür groß "N" steht :-\

http://lexikon.meyers.de/meyers/N (http://lexikon.meyers.de/meyers/N) -> da steht nur klein "n"
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: waterburn am 03. April 2007, 22:58:06
Ok, hatte also zumindest bei W Recht, denn ein Joule ist eine Energiemenge.
Das mit Q in diesem Fall eine Ladungsmenge gemeint ist hätte ich eigentlich auch selbst merken können.
Soweit so gut.
Die erste Formel verstehe ich jetzt.
Da durch die höhere Zahl der Schaltvorgänge die Zahl der transportierten Ladungen (I) steigt, erhöht sich bei gleichbleibender Spannung die Abwärme, da P = U*I gilt.

Die zweite Formel verstehe ich allerdings noch nicht.
Wie kommt man von W = 0,5 * C * U² zu W = 0,5 * Cfet * Ucore² * Nfet * k?
W steht imho also für die Energie, die ein Fet, bzw. alle Fets des Prozessors zusammen (zweite Formel) aufnehmen können, bei der Spannung Ucore.
Und wie kommt man von Arbeit so einfach auf Leistung?

Ich hätte einfach folgendermaßen argumentiert:
Es gilt: P = U*I / I = Qgate * Nfet * k / Q = C*U
Wenn man das zusammensetzt erhält man P = CFet * UCore² * NFet * k
Wo liegt der Fehler? Da bei mir der Faktor 0,5 fehlt.

cu
waterburn

Edit: @muracha N dürfte imho für die Anzahl der FETs im Prozessor stehen, und ist somit konstant.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: nemon am 04. April 2007, 11:31:09
ok, es ist etwas blöde dokumentiert. ich hätte die einheiten auch mitschreiben sollen.

W1 = 0,5 * C * U² ist die energie, die ein kondensator, in diesem fall EIN fet, speichert,
W2 = 0,5 * Cfet * Ucore² * Nfet * k ist die energie, die benötigt wird, um N kondensatoren k mal zu schalten. ist k die anzahl der schaltimpulse und gleich der taktrate, so wird die energie w2 für k schaltvorgänge, also binnen einer sekunde verbraucht. dann ist W2 * t = E die energie, die in einer sekunde abgegeben wird.
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: muracha am 04. April 2007, 15:08:45
 :thumbup: danke für diese super erklärung :)

und glückwunsch zu bestandenen prüfung  :drink:
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: waterburn am 05. April 2007, 13:44:29
@nemon Gut, so hatte ich es auch Verstanden. Wenn du mir auch noch sagen kannst, wo der Fehler bei meiner Herleitung liegt, bin ich glücklich.
cu
waterburn
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: Crisbe am 05. April 2007, 18:54:27
Zu der Erwärmung bei dem Energietransport durch das Umladen, kommt auch noch der Effekt hinzu, daß kurzzeitig beide Fets einer Logikstufe (z.B. Inverter) beim Wechsel des Zustands durchschalten und dadurch einen Stromimpuls erzeugen. Sozusagen ein "Mini"-Kurzschluß. Dem Effekt kann man natürlich zu Leibe rücken, indem man erst ein Fet aus und dann den anderen einschaltet, was aber nicht überall gemacht wird (wg. Geschwindigkeit).

Gruss
Titel: Re: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?
Beitrag von: nemon am 06. April 2007, 12:25:18
auch vernachlässigt wurde der ohmsche widerstand der leiterbahnen, der bei strömen von 50 ampere, bw, stromimpulse von mehreren hundert ampere schon signifikant ist.