¿Por qué un procesador se calienta?

Un transistor (FET, en circuitos integrados modernos) nunca cambia instantáneamente de APAGADO total a ENCENDIDO. Hay un período en el que se enciende o apaga cuando el FET actúa como una resistencia (incluso cuando está completamente ENCENDIDO todavía tiene una resistencia).

Como ya sabe, pasar una corriente a través de una resistencia genera calor (\ $ P = I ^ 2R \ $ o \ $ P = \ frac {V ^ 2} {R} \ $).

Cuanto más cambian los transistores, más tiempo pasan en ese estado de resistencia, y más calor generan. Por lo tanto, la cantidad de calor generado puede ser directamente proporcional al número de transistores, pero también depende de qué transistores están haciendo qué y cuándo, y eso depende de lo que se le indique al chip que haga.

Sí, los fabricantes pueden colocar bloques específicos de su diseño (no transistores individuales, sino bloques que forman una función completa) en ciertas áreas, dependiendo del calor que pueda generar el bloque, ya sea para colocarlo en una ubicación con una mejor unión por calor, o colocarlo lejos de otro bloque que pueda generar calor. También deben tener en cuenta la distribución de energía dentro del chip, por lo que la colocación de bloques de manera arbitraria no siempre es posible, por lo que tienen que llegar a un compromiso.

Todo el flujo de corriente en cualquier cosa que no sea un superconductor genera calor. En los chips, fluye principalmente en capas de "metal" de aluminio (¿por qué no el cobre? Resulta que la interacción química desagradable con otras partes del silicio).

¿Qué causa que la corriente fluya? Cada vez que un transistor cambia de estado, esto se puede modelar como un capacitor (la puerta FET de la puerta lógica accionada más la capacitancia del cable parásito) que se carga / descarga a través del cable y la salida FET de la puerta anterior. Esto es "conmutación" o potencia "dinámica". Es proporcional a la velocidad de conmutación y al cuadrado de la tensión; por lo tanto, la unidad de 5V a 3.3V a 1.8V para una mejor eficiencia.

Los aisladores no son perfectos, y en algunos lugares son muy finos. Los transistores no pueden estar completamente "apagados". Si un FET tiene una resistencia negativa de un megaohmio, y pones un millón de ellos en paralelo, parece una resistencia de 1 ohmio. Esta es la potencia de "fuga". Es proporcional al número de transistores.

Pasé una década trabajando en una startup en optimización de energía. :) Existen muchas técnicas: compensaciones de velocidad / fuga ("compuerta de metal de alta k"), desactivación total de partes del circuito, sincronización de reloj, reducción de la frecuencia de reloj, tamaño y ubicación.

1) Cada vez que hay un flujo de corriente, el calor es generado por las colisiones de los electrones. 2) Sí, en general, la correlación es lineal. 3) Es muy poco probable que los fabricantes de CPU optimicen la posición de los transistores individuales , para minimizar el calor generado (todos están dentro de la carcasa misma ).
Cuando una CPU está "inactiva", aunque utiliza una cantidad mínima de corriente, genera calor. Cuando el procesador comienza a "procesar" la información, los transistores individuales cambian de estado. Este cambio también genera calor. Además, la frecuencia de conmutación afecta a la tasa de generación de calor, cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la tasa de generación de calor. Dado que la capacidad de disipación de calor del chip es fija, puede sobrecalentarse si se opera a una frecuencia más alta de la que fue diseñada para operar.

es simple, sabemos que de acuerdo con la ley de julios, cuando el electrón fluye a través del conductor, el calor se produce debido a la resistencia del material porque cada conductor tiene cierta resistencia.