为什么随着 CPU 时钟频率的增加，产生的热量也会增加？

Question

整个多核辩论让我思考。

生产两个内核（在一个封装中）然后将一个内核加速两倍要容易得多。这是为什么？我用谷歌搜索了一下，但从超频板上找到的答案大多非常不准确，这些答案并没有解释底层物理。

电压似乎影响最大（二次方），但是如果我想要更快的时钟速率，我是否需要以更高的电压运行 CPU？我也想知道为什么半导体电路在以特定时钟速度运行时会产生（以及产生多少）热量。

Answer 1

每次时钟滴答作响时，您都在为一堆电容器充电或放电。给电容器充电的能量为：

E = 1/2*C*V^2

哪里C是电容，V是它被充电到的电压。

如果您的频率为f[Hz]，那么您f每秒有周期数，您的功率为：

P = f*E = 1/2*C*V^2*f

这就是功率随频率线性上升的原因。

您可以看到它随电压呈二次方上升。因此，您总是希望以尽可能低的电压运行。但是，如果要提高频率，则还必须提高电压，因为更高的频率需要更高的工作电压，因此电压随频率线性上升。

出于这个原因，功率上升像f^3（或像V^3）。

现在，当您增加内核数量时，您基本上是在增加电容C。这与电压和频率无关，因此功率随线性上升C。这就是为什么增加内核数量比增加频率更节能的原因。

为什么要提高电压来提高频率？那么，电容器的电压根据以下情况变化：

dV/dt = I/C

I电流在哪里。因此，电流越高，您可以越快地将晶体管的栅极电容充电到其“导通”电压（“导通”电压不取决于工作电压），并且您可以更快地打开晶体管。电流随工作电压线性上升。这就是为什么你需要增加电压来增加频率。

晶体管具有动态电容。为了“打开”晶体管，您需要为其栅极电容充电。 (7认同)
好吧...电容与热转换没有任何关系，但它确实与能耗有关，因为您需要投入1/2CV^2来为电容器充电。该能量来自某个电源，因此每次为电容器充电时，您都会从该电源中消耗 1/2CV^2。没有什么可以阻止该源升温。*电容*本身不是罪魁祸首。电容器所处的环境是*罪魁祸首。 (3认同)

Answer 2

非常基本：

当您向晶体管施加更多电压时，它的开关速度会更快。
现代 IC 在从一种状态切换到另一种状态时（在时钟滴答上）消耗大部分功率，但不消耗功率以保持相同状态（嗯，存在泄漏，因此并非完全没有功率），因此切换速度越快，每秒切换的次数越多，消耗的电量就越多。

一本关于处理器架构所有细节的好书：David A. Patterson、John L. Hennessy 的计算机组织和设计。

Answer 3

每次晶体管切换状态时，都会消耗电流。更高的频率意味着更快的开关，更多的电流浪费。一切事物的阻抗将其转化为热量。P=I^2*R 等等。而 P 是 V^2/R。但是，在这种情况下，您确实希望能够计算出随时间变化的平均 V 和 I，并且它与电压和电流均成二次方。