Chip
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Hallo zusammen,
in einem Prozessor fließen winzige Ströme und die Transistoren befinden sich auf wahnsinnig engen Platz. Immer wieder fließt Strom, immer wieder nicht. Andauernd muss es doch zur Selbstinduktion kommen und dadurch müssten doch eigentlich herumliegende Transistoren beeinflusst werden. Warum also funktioniert dann überhaupt eine CPU?
Vielen Dank
lg, freakC++
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Weil keine Stroeme fliessen, eigentlich. Leckstroeme alssen sch bei diesen kleinen Strukturen aber nicht vermeiden, die sind glaube aber nur an der Oberflaeche des Chips. Aber genau weiss ich es nicht.
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Warum sollten keine Sträme fließen? Wie habe ich das zu vertehen. Natürlich! Ich kann doch sogar im BIOS die CPU Spannung kalibrieren. Die Ströme sind zwar winzig, aber die Transistoren noch winziger :). Die müssten sich doch durch Induktion stören!
Vielen Dank
lg, freakC++
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Weil nur elektrische Felder angelegt werden. Strom != Spannung. Du kannst auch mal die Geschwindigkeit der Elektronen ausrechnen, die bei 2 bis 3 GHz hin- und herflitzen. Dann vergleiche die Geschwindigkeit mit Elektronen in anderen "Leitern".
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die Sache mit den Strömen hängt auch von der Technologie ab.
FETs (z.B. CMOS, NMOS) sind SPANNUNGSgesteuert, da fließen Ströme (entsteht Verlustleistung) praktisch vorwiegend im Moment des Umschaltens.
Bipolare Transistoren (zB. TTL) sind STROMgesteuert und brauchen im Schaltzustand "on" ständig einen Eingangsstrom.
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Es fließen immer Ströme. Denn ohne Arbeit zu verrichten kann man keine Informationen verarbeiten.
Die Ströme sind aber extrem klein, denn die FETs benötigen nur beim Umschalten Energie und nicht wie ein klassischer Transistor die ganze Zeit.
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SeppJ schrieb:
Die Ströme sind aber extrem klein, denn die FETs benötigen nur beim Umschalten Energie und nicht wie ein klassischer Transistor die ganze Zeit.
interessant ... daß meine Beiträge derart vorbildhaft sind, freut mich:
!rr!rr_. schrieb:
FETs (z.B. CMOS, NMOS) sind SPANNUNGSgesteuert, da fließen Ströme (entsteht Verlustleistung) praktisch vorwiegend im Moment des Umschaltens.
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Ich wollte halt nochmal herausstreichen, dass aus physikalischen Gründen bei der Informationsverarbeitung Arbeit verrichtet werden muss, weil durch die Beiträge von knivil anscheinend der Eindruck entstanden ist, dass da gar nichts fließt.
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ach so - dann habe ich Dein Posting mißverstanden
sorry
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Ja, ich war mir da nicht so sicher. Bei 3 GHz kann man aber nicht wirklich von fliessen sprechen. Keine Ahnung, wie weit das Elektron dabei kommt. Desweiteren wollte ich noch anmerken, dass ich durchaus ohne Energieverlust Informationen verarbeiten kann. Dazu wird jedoch vorausgesetzt, dass der Prozess reversibel (im Sinne von Information) ist, d.h. aus dem Resultat die Originalwerte berechnet werden koennen. Das ist ein sehr theoretisches Resultat.
Diese Aussage entspringt meinem altersschwachen Gehirn und sollte von jeden (den es interessiert) ueberprueft werden. Das Paper/Artikel/Folie finde ich auf die schnelle nicht.
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Dass da Strom fließen muss ist schon von der thermischen Leistung her klar, wo soll die sonst herkommen
Man muss da auch gar nicht mit Informationstheorie anfangen. Die Spannungen an den Transistoren kommen ja dadurch zustande, dass dort Ladungen gespeichert werden. Und wenn sich der Schaltzustand ändert, müssen die Ladungen woanders hin fließen. Das nennt man gemeinhin Strom.
knivil schrieb:
Bei 3 GHz kann man aber nicht wirklich von fliessen sprechen.
Was würde das bedeuten, wenn das stimmen würde? Dann könnte man den Chip nicht mehr idealisiert als Netzwerk betrachten, sondern müsste mit elektromagnetischen Wellen, die sich in der komplexen Geometrie der Leiterbahnen ausbreiten, rechnen. Das ist sicherlich interessant, aber eher nervig für Chipdesigner. Wenn man sich aber die Probleme, die beim VLSI-Entwurf zu lösen sind, anguckt, dann ist dieses nicht dabei.
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und warum funktioniert dann so ein Chip? Die Transistoren müssten sich doch gegenseitig beeinflussen, weil sie so dicht aneinanderliegen.
Vielen Dank
lg, freakC++
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Der Argumentation, dass sie so nahe beieinanderliegen steht gegenüber, dass je näher sich die Transistoren, desto kleiner die Strukturen insgesamt, also auch die jeweiligen Ladungen/Ströme.
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@knivil:
Ich glaube da bringst du etwas durcheinander.Soweit wie ich noch weis, wird die Taktfrequenz immer durch die Signallaufzeit des langsamsten Prozessorbauteils/Prozessorbestandteils bestimmt, was ungefähr der Zeit entspricht um ein Wert aus einem Speicher zu holen, ihn durch eine Logik (ALU) zu jagen und das Ergebnis in einen Speicher zu legen. Ohne Pipelining wäre die Taktfrequenz immer durch die längste Signallaufzeit aller Befehle bestimmt. Mit Pipelining hängt die Taktfrequenz immer von der längsten Signallaufzeit aller Pipelinestufen ab.
Und viola, kann ich auf einmal meine Takrate dank Pipelining X-mal schneller machen weil ich die Logik in X Schritte unterteile. (grobe Näherung)
Zur Info:
Bei einem Takt 3Ghz und einer geschätzten maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strom in Kupfer von 1/2 c ergäbe das immer noch eine Reichweite pro Takt von weniger als 45 cm.
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Eine halbwegs moderene CPU verbrät rund 100W mit einer Spannung von rund 1.5V. Das macht dann $$\frac{100W}{1.5V} = 66 \frac{2}{3} A$$
Also da fließt durchaus Strom. Bei geschätzen 8 Milliarden Transistoren sind daas dann $$\frac{66 \frac{2}{3} A}{8 \cdot 10^9} \approx 8 \cdot 10^{-9}A$$ pro Transistor.
Der Abstand beträgt nur 45 nm, aber der Strom befindet sich in derselben Größenordung(sogar fast ne 10ner potzen drunter). Würde man das nun in Makrossopischen Einheiten betrachten hätte man einen Draht mit 1A Durchfluss der mit einem anderen Draht in 1m Entfernung Wechselwirkt...
Oder etwa doch nicht
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Hier wird beschrieben, dass der Strom etwa mit 0.074 mm/s in einem Leiter fliesst. D.h 0.5x Lichtgeschwindigkeit ist sehr utopisch. Stromfluss != Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes. Die thermische Leistung ist durchaus auf Stromfluss zurueckzufuehren, aber ich dachte immer Leckstroeme an der Oberflaeche sind schuld. Sie kann man nicht unterbinden, da die Strukturen so klein sind.
Nun gut. Wikipedia meint auch, dass Strom fliesst ... ihr habt gewonnen.
Jedoch beschraenkt es sich wohl auf einzelne Elektronen. Sie sind aber nicht fuer die 100 Watt verantwortlich.Zur Rechnung: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Intel_microprocessors bescheinigt nur "781 million transistors". 8 Mrd. sind auch etwas hoch.
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Achtung: Halbwissen incoming, alle Angaben ohne Gewähr. Aber diesmal bin ich mir doch relativ sicher.
Bitte ein Bit schrieb:
@knivil:
Ich glaube da bringst du etwas durcheinander.Soweit wie ich noch weis, wird die Taktfrequenz immer durch die Signallaufzeit des langsamsten Prozessorbauteils/Prozessorbestandteils bestimmt, was ungefähr der Zeit entspricht um ein Wert aus einem Speicher zu holen, ihn durch eine Logik (ALU) zu jagen und das Ergebnis in einen Speicher zu legen. Ohne Pipelining wäre die Taktfrequenz immer durch die längste Signallaufzeit aller Befehle bestimmt. Mit Pipelining hängt die Taktfrequenz immer von der längsten Signallaufzeit aller Pipelinestufen ab.
Und viola, kann ich auf einmal meine Takrate dank Pipelining X-mal schneller machen weil ich die Logik in X Schritte unterteile. (grobe Näherung)
Zur Info:
Bei einem Takt 3Ghz und einer geschätzten maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strom in Kupfer von 1/2 c ergäbe das immer noch eine Reichweite pro Takt von weniger als 45 cm.Wie schnell sich der "Strom" innerhalb der Schaltung ausbreitet ist denke ich vollkommen irrelevant, denn es kommt nur auf das hin und herschieben von Information an, und die breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, denn die Information in diesen Schaltungen sind Photonen. Die führen dazu, dass Elektronen schließendlich in eine bestimmte Richtung wollen, was unseren Strom erzeugt.
Einem Transistor ist egal, wie schnell sich der Strom durch ihn durch bewegt, nur die Information ist wichtig, dass die Elektronen sich durchbewegen wollen, denn sobald sich die Elektronen in Bewegung versetzen, und zwar egal wie schnell (natürlich gibt es denke ich da bestimmte untere Schranken je nach Transistorart), leitet der Transistor ('1').
Deswegen sehen wir keine großartigen Taktsteigerungen überhalb von 3.x Gigaherz mehr, weil die Informationsweitergabe durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist. 3Ghz (3000000000 Takte pro Sekunde) ergeben ungefähr (wenn ich mich jetzt nicht verrechnet habe), etwa 1 Takt alle 3.3^-10 Sekunden. Bei Lichtgeschwindigkeit legen Photonen in dieser Zeit etwa 10cm zurück, und das ist das wirkliche Limit in Schaltungen heutzutage, den längsten weg innerhalb des Prozessors kleiner als diese paar centimeter zu halten, weil es sonst sozusagen losgeht dass sich die Information selbst in den Hintern beißt und massiv viele Hazards auftreten.
Prozessoren an sich sind natürlich kleine Rechtecke die viel kleiner sind als 10cm, aber die Photonen müssen sich da drin ja nicht auf ner geraden Strecke von einem bis zum anderen Ende bewegen, sondern laufen da drin praktisch nen Zickzackkurs, da dürften diese 10cm schnell zusammen kommen.
Früher lag das Problem glaube ich eher noch da, dass man Transistoren hatte die viel zu langsam schalteten, was in einem extrem niedrigen Takt (im Vergleich zu heute) endete. Das Problem gibt es heute aber denke ich nichtmehr.
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TravisG schrieb:
Früher lag das Problem glaube ich eher noch da, dass man Transistoren hatte die viel zu langsam schalteten, was in einem extrem niedrigen Takt (im Vergleich zu heute) endete. Das Problem gibt es heute aber denke ich nichtmehr.
Die Informationen müssen innerhalb eines Taktes nicht von überall auf dem Prozessor nach überall hin. Man hält die Informationsverarbeitung halbwegs lokal. Pipelining wurde in diesem Zusammenhang ja schon erwähnt... Während die ALU irgendeine Berechnung macht, werden schonmal weitere Daten vom Cache in ein Register geladen.
Ich vermute, dass die Taktfrequenz heutzutage vor allem durch die Abwärme limitiert ist, die ja auch irgendwie abgeführt werden muss. AFAIK nimmt die Abwärme quadratisch mit der Taktfrequenz zu.
EDIT: Ich wurde darauf hingewiesen, dass, wenn man die Taktrate unabhängig von jeder anderen Größe, die die Arbeitsweise eines Prozessor bestimmt, erhöht, vermutlich nur eine lineare Abhängigkeit zwischen Abwärme und Taktrate vorliegt. Diesbezüglich möchte ich ergänzen, dass das so nicht geht. Ein Transistor innerhalb eines integrierten Schaltkreises hat eine Maximalfrequenz, mit der er betrieben werden kann. Diese Frequenz hängt von der Leitfähigkeit des Kanals in ihm ab. Die Maximalfrequenz ist proportional zu dieser Leitfähigkeit. Die Leitfähigkeit wiederum ist proportional zur Gatespannung. Das heißt, um die Maximalfrequenz zu erhöhen, mit der ein Transistor verlässlich betrieben werden kann, muss man auch die Gatespannung erhöhen. Bzw. grob gesagt die Spannung, mit der der Prozessor betrieben wird.
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freakC++ schrieb:
in einem Prozessor fließen winzige Ströme und die Transistoren befinden sich auf wahnsinnig engen Platz. Immer wieder fließt Strom, immer wieder nicht. Andauernd muss es doch zur Selbstinduktion kommen und dadurch müssten doch eigentlich herumliegende Transistoren beeinflusst werden. Warum also funktioniert dann überhaupt eine CPU?
Ich würde auch davon ausgehen, dass es eine gewisse Beeinflussung der Bauelemente untereinander gibt. Wie das genau auf dem Prozessor aussieht, kann ich aber nicht sagen. Vermutlich gibt es bestimmte Limitierungen, die man beim Bau eines Prozessors einhalten muss, damit es durch derartige Beeinflussungen nicht zu Problemen kommt. Aus anderen Bereichen der Mikroelektronik sind ja auch ähnliche Beeinflussungen bekannt. Zum Beispiel wenn man viele parallele Leitungen hat. Oder natürlich auch bei MRAMs, aber die sind ein spezieller Fall.
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Selbstinduktion spielt auf Grund der kleinen Ströme keine Rolle. Was bei integrierten Schaltungen berücksichtigt wird (und muss), sind Influenz Effekte (durch E-Felder). Diese Beeinflussen nämlich das Schaltverhalten der FETs.
