【小宋献策】我们的电脑为什么越来越热【答西风兄】 [ 小宋一刀 ] 于:2004-05-08 05:50:20
西风兄提到的问题是一个很大的问题 也是个困扰了半导体工业界很久的问题
许多人得了PHD都是在这个方面做学问

小刀才疏学浅 只能就我所知的讲一些
西西河中藏龙卧虎 希望有识之士多加指正
以免小刀陋见误导诸读者

IC DEISGN 中有一个很简单的公式
P = C*(V^2)*f*(SE)
P-> POWER : 是晶片在工作情况下所需的POWER
C-> CAPACITOR : 是整个晶片的电容 (我不太有把握中文是不是这个翻译啊)
V-> 是晶片的POWER SUPPLY
   在0.18um中 大概是1.8V
   在0.13UM中 大概是1.2V
f-> frquency 是电路速度 (我们熟识的2.6GHZ 等等)
实际上比这个要复杂 但是为了便于解说 我们暂且这么说
SE-> Switching Efficency 是一个PERCENTAGE 下面有详述

完整的公式是
P = C*(V^2)*f*(SE) + V*I(sc) + V*I(leak)
I(sc) 是SHORT CIRCUIT 电流
I(leak) 是SUBTHRESHHOLD LEAKAGE 电流
注意 I(leak)在PDA CELLPHONE的设计中很重要

这后面两项我们暂时不讨论 因为太复杂了
写好了 PHD又到手了

那我们现在来看第一项 P = C*(V^2)*f*(SE)

当晶片进入工作时 它需要克服电容去打开或关闭一个个的半导体 这就需要消耗能量

CPU快不快 到最后都是看能打开和关闭一个个半导体有多快

很容易看出 消耗的POWER是随着 f 的增长而增长的
简而言之 我们的电脑越来越热 就是这个原因
(希望俺的老师没在看啊 否则他老人家那个伤心 白教了)


好 有人提问了
1. 那么我们把 V 变小怎么样
可以 但是请记住 V 变小了, f 晶片的最快速度也会变小 那我们还买这块晶片干吗
2. 那我们把电容 C 变小就得了
可以 但是那很难做到 因为电容是物理特性
电容的大小取决于许多方面
比如
A. 晶片中所有半导体的数量
现在的晶片越做越复杂 INTEL的PRESCOTT晶片据说有110百万个半导体 比P4的55百万个半导体要多一倍

B. 晶圆的才质 这个就是由代工厂掌控的了
这个做好了 PHD也到手了
现在半导体业比较热门的一项研究就是把传统的SILICON OXSIDE 换成 LOW K MATERIAL
LOW K 就是DIELETRICAL CONSTANT比较小的一种材质

C. 电线与电线之间的CROSS COUPLING CAPACITANCE
所以  想把C变小也不是很容易

那就看最后一项 SE: Switching Efficency
尽力减少电路中需要改变电容的计算 能不动的时候就不动或少动
说白了 就是能省电的时候就省电
打个比方 您从冰箱中拿两件东西
您可以打开冰箱两次 每次拿一件
或者您可以打开冰箱一次 一下拿两件

所以从COMPUTER ARCHITECHURE的角度来看 越EFFICIENT的设计也越省电
同一个PATH 可以有六个STAGE 那么这个电路需要POWER去SWITCH的需求也越大
那么如果我们改成4个STAGE 那么我们就省下了两个STAGE不需要消耗能量

我一个师弟在一家叫TRANSMETA的公司做ARCHITECTURE
这家公司就是用一种叫CODE MORPHING的方式来控制晶片中部份电路的打开与关闭
说白了 他们不全是用实际的半导体来做控制而是用SOFTWARE加上半导体来控制 这样可以减少晶片上的半导体数目
有什么好处呢? 对了 电能消耗就相对减少
坏处了? 就是跑的相对慢一些
所以他们的晶片就用在LAPTOP PDA里面
这家公司以前请了LINUS TORVALDS (不过他几个月前辞职了)
我有时去他们公司噌饭时还看到过他 长的白白胖胖的 挺可爱 至少比BILL GATES要可爱些
他开的车也就是一部MERCEDE SLK230
看来财富与才学是没有什么明显关系的啊

所以 现在许多设计都是以减少POWER为主 不要忘了
现在的晶片是越来越小 所以POWER/DENSITY也越来越大

INTEL一直领着大家搞数度上的竞赛 现在慢慢发现走入了一条死胡同 (请记住 速度越快 耗能越大 象跑步一样 当然 跑步如果有好的跑鞋和姿势会比较省力
晶片设计的原理是一样)

所以看以后五年半导体业的走向 会很有趣很刺激

大家睁大眼睛看啊



铁手 入典。此贴最后由 不爱吱声 在5/14/2004 10:28:06 AM从 科学探索 转移过来