Thema: Warum steigt bei Takterhöhung die Wärmeabgabe der CPU?

[Iceberg]

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
so, jetzt hätt ich es fast geschafft, alles in einen Satz zu packen 

btw, hab in wikipedia folgendes gefunden:

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.

[muracha]

ich würde es so erklären, dass sich die transistoren mehr bewegen und so mehr bewegungsenergie frei wird, welche sich in wärme wiederspiegelt

[Iceberg]

Erst0r:

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

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

@ muracha: Transistoren bewegen sich in der CPU nicht 

[amduser]

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.

[Master Luke]

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

wenn ich zeit finde, mache ich es morgen vor dir.

[muracha]

  ich dacht das sind transistoren 
aber in ansätzen wars doch richtig 

[Fantometer]

ist aber afaik schon alles zusammengefasst..    http://de.wikipedia.org/wiki/Verlustleistung  <- da steht auch noch mehr

[Iceberg]

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?

[dennisstrehl]

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.

[nemon]

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.

[Master Luke]

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. 

[Iceberg]

guut,
danke @ nemon für die ausführliche erklärung und danke ebenfalls an alle anderen.

ML.: joa, habs sogar ohne elektronik-vorlesung verstanden 

[Fantometer]

das habe ich mir verkniffen zu sagen   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*

[Master Luke]

ach, ihr nasen könnt auch was mit den formeln anfangen? herleitung usw?  auch DAS meinte ich....

[Fantometer]

das ist doch nur was für die Bücher

edit by ML: ihr seidse doof 


edit by Phanto:   

[waterburn]

@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

[M0rre]

omg da muss man ja nachdenken 

naja werde wol auch nochmal merken das es irgendwann erfolderlich ist

bis jetzt bin ich ja fast ohne durchgekommen

[dennisstrehl]

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.

[muracha]

ich glaub ich habs auch verstanden ^^ (halb  )
das einzige was ich noch gerne wissen würde ist, wofür groß "N" steht :-\

http://lexikon.meyers.de/meyers/N -> da steht nur klein "n"

[waterburn]

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 = C_Fet * U_Core² * N_Fet * 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.