¿Por qué un voltaje más bajo es mejor para la CPU rápida moderna y otros chips similares?

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Comencé a usar computadoras en la década de 1980. Por lo que recuerdo, las CPU de 8 bits de aquellos tiempos como Z80 a menudo funcionaban con 5 V y usaban el mismo voltaje para las señales de E / S. Las CPU posteriores se ejecutan a velocidades más altas y comenzaron a consumir más energía. Espero que para entregar más potencia a un chip, debemos utilizar un voltaje más alto o una corriente más alta. Y como las corrientes altas normalmente necesitan cables gruesos, yo esperaría que las CPU usaran voltajes más altos para mantener las corrientes bajas. Pero lo contrario es cierto. Por ejemplo, una CPU estándar Intel Pentium 4 o Core 2 Quad que uso en casa tiene un TDP de 95 W, lo que significa que consumen más de 100 W en los picos de potencia. Dado que funcionan con un voltaje muy bajo de alrededor de 1 V, en realidad necesitan entregar la energía usando aproximadamente 100 A. Entonces, mi pregunta es: ¿por qué se prefiere esto, por qué es eficiente?

    
pregunta Al Kepp

1 respuesta

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En los circuitos CMOS tradicionales, el consumo de energía, de primer orden, siguió esta expresión:

\ $ P \ propto f_ {RELOJ} \ veces C_ {CARGAR} \ veces V ^ 2_ {SUMINISTRO} \ $

donde la capacitancia de carga era la capacitancia efectiva del cableado interno y el óxido de la puerta del transistor. Tenga en cuenta que el consumo de energía es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación, por lo que reducir la tensión de alimentación es una forma eficaz de reducir el consumo de energía. Desafortunadamente, solo reducir la tensión de alimentación tiende a hacer que los circuitos se vuelvan más lentos, por lo que otros cambios, como la escala de los transistores, son necesarios para lograr frecuencias de reloj más altas.

A medida que la escala del transistor se acercaba a los tamaños de las características de submicras profundas, digamos que por debajo de unos 250 nm, los transistores dejaron de comportarse como el CMOS "tradicional" y comenzaron a tener más fugas. Eso agregó un término a la ecuación de potencia que es proporcional solo al voltaje de suministro (no al cuadrado) y limitó el beneficio de disminuir el voltaje de suministro para disminuir el consumo de energía.

    
respondido por el Joe Hass

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