Warum CPU und GPU so kleine U

So erreicht man höhere Frequenzen, ein Potential kann nicht unendlich 
schnell ansteigen. Von 0 auf 1V gehts schneller als von 0 auf 5V.

Außerdem wird so die Verlustleistung minimiert. Bei jedem Schaltvorgang 
wird ein Kondensator umgeladen. Der Strom der dabei fliest erzeugt 
wärme, da die Leitungen immer noch einen gewissen Widerstandswert haben.

Des weiteren kann der Abstand zwischen den Leiterbahnen kleiner werden. 
Da geringe Spannungen weniger Isolation brauchen.

Anders sind die winzigen Strukturen in den Prozessoren gar nicht mehr 
möglich. Die würden sonst sofort wegbrennen.

Rolf M. schrieb:
> Welche höheren Ströme? Die Spannungen macht man unter anderem so
> niedrig, damit auch die Ströme niedriger werden und so die
> Leistungsaufnahme sinkt.
Weshalb sinkt der Strom?

AxelX schrieb:
> Hallo,
>
> warum laufen CPUs und GPUs oft mit so kleinen Spannungen um 1V?

Ein wichtiger Anteil an den Verlusten ist: Umladen der Gates der MOS. 
Das sind näherungsweise Kondensatoren. Schaltverluste eben.

Und die Verluste betragen:
Pv = f  C  U²
Damit ist die geringere Spannung die Effektivste Möglchkeit Strom zu 
sparen.

Hurra schrieb:
> AxelX schrieb:
>> Hallo,
>>
>> warum laufen CPUs und GPUs oft mit so kleinen Spannungen um 1V?
>
> Ein wichtiger Anteil an den Verlusten ist: Umladen der Gates der MOS.
> Das sind näherungsweise Kondensatoren. Schaltverluste eben.
>
> Und die Verluste betragen:
> Pv = f  C  U²
> Damit ist die geringere Spannung die Effektivste Möglchkeit Strom zu
> sparen.
Moment mal, jetzt wird hier rumgemixt.

Das Gate des MOS repräsentiert nicht die Schaltverluste. Schaltverluste 
sind per Definition die Überlappung zwischen Drain-Source Strom und 
Drain-Source Spannung während des Schaltmoments. Dafür gilt die obige 
Gleichung nicht.

Das Umladen des Gates ist lediglich eine zusätzliche Form der Verluste 
am Transistor. Das Umladen des Gates hängt in erster Näherung vom 
zugeführten Strom ab. Ein hoher Peak Strom lädt/entlädt das Gate 
schneller als ein niedriger Peak Strom. Der Peak Strom hängt von der 
Treiberspannungsversorgung ab und von dem im Gate-Pfad zugeführten 
Gate-Widerstand. Bei gleichem Gate Widerstand und niedrigerer Spannung 
schaltet der MOS wesentlich langsamer, weil es längere Zeit dauert, bis 
das Gate geladen ist -> höhere Schaltverluste.

Alexander schrieb:
> Weshalb sinkt der Strom?

Weil zum Umladen der parasitären Kapazitäten bei geringerer Spannung 
weniger Ladung erforderlich ist.

Als der Pentibumm™ 4 herunterskaliert wurde, wurde er kaum schneller,
aber die Ruhestromaufnahme stieg gewaltig.
Und, herunterskaliert wurde er, damit Intel mehr CPUs pro Wafer
verkaufen konnte. So sieht das nämlich aus!

Kleiner muss also nicht immer besser sein.

Boner Big Boner schrieb:
> Als der Pentibumm™ 4 herunterskaliert wurde, wurde er kaum schneller,
> aber die Ruhestromaufnahme stieg gewaltig.
> Und, herunterskaliert wurde er, damit Intel mehr CPUs pro Wafer
> verkaufen konnte. So sieht das nämlich aus!
>
> Kleiner muss also nicht immer besser sein.

Die "Fehlströme" stiegen durch die dünneren Isolierschichten mehr als 
die "Schaltströme" sanken. Du solltest dich besser informieren. Das hat 
mehr mit den Nanometern zu tun und weniger mit den Volt, um die es hier 
geht.

Dazu hätte ich noch zwei Fragen...

1) Was wäre die minimal mögliche CPU-Spannung, ca. 0,7V?

2)Welche Kernspannung hat ein AVR?

> 1) Was wäre die minimal mögliche CPU-Spannung, ca. 0,7V?
Innovative Halbleiterhersteller wie z.B. TI haben sowas im Programm.
MSP430LO92 fällt mir spontan ein. Ist allerdigns nicht gerade das
neueste.

> 2)Welche Kernspannung hat ein AVR?
Das was an VCC liegt.

AxelX schrieb:
> 1) Was wäre die minimal mögliche CPU-Spannung, ca. 0,7V?

Wie kommst du gerade auf 0,7V?

Prozessoren werden seit Jahrzehnten in CMOS aufgebaut.

Wolfgang schrieb:
> Wie kommst du gerade auf 0,7V?
>
> Prozessoren werden seit Jahrzehnten in CMOS aufgebaut.

Auch bei CMOS Prozessoren gibt es pn-Übergänge und da ist 0.7 V bei 
Silizium ein realistischer Wert. Beispielsweise befinden sich die 
p-Kanal Transistoren in einer sog. p-Wanne im umgebenden n-Substrat -> 
pn-Übergang.

Joachim B. schrieb:
> dann sollten wir zu Germanium MOS wechseln :-)

Ge liegt mir in dem Zusammenhang auch auf der Zunge.

Ich habe mal einen AMV mit zwei Ge-Transistoren aufgebaut, der selbst 
mit 0,1V noch sicher angelaufen ist bei Raumtemperatur.

Dann könnte man über eine Kernspannung von 0,1V nachdenken.

Wahrscheinlich lassen sich aber mit Ge-Substraten schlecht kleine 
Strukturen aufbauen, weil Ge mit der Zeit Kristallstrukturen ausbildet.
(deshalb funktionieren unbenutzte Ge-Transistoren nach ein paar Jahren 
bis Jahrzehnten nicht mehr)

Joachim B. schrieb:
> Si u.U. auch nicht mehr wenn Sauerstoff an den Anschlüssen
> eindiffundiert

Getter künftig nicht nur für Röhren, sondern auch für Transistoren!!! ;)


> ich wunderte mich über einen
> "spratzenden" Vorverstärker und dachte an Schalter- Poti- Kontakte, nein
> es war ein BCxxx.

Kann es sein, dass auf diese Weise Rauschtransistoren entstehen?

(ich wundere mich immer wieder, warum es unter BC...-Chargen regelmäßig 
1% bis 3% Rauschexemplare gibt)

War da nicht auch noch das Problem der elektrischen Feldstärken in den 
immer enger werdenden Strukturen?

Manfred schrieb:
> War da nicht auch noch das Problem der elektrischen Feldstärken in den
> immer enger werdenden Strukturen?

Bei hohen Frequenzen kann es da sicher zu kapazitiven Übersprechungen 
kommen.

Joachim B. schrieb:
> und hörte sich wirklich an wie
> Kontaktprobleme, mal mehr, mal weniger

Erstaunlich. Das sollte man mal näher untersuchen.


Bei Rauschtransistoren ist mir aufgefallen, dass manche Exemplare das 
Rauschen zeitweilig einstellen.
Erst wenn die Spannung weggenommen wurde, rauschen sie beim nächsten 
Einschalten wieder.
Oder sie haben das Rauschen eingestellt und rauschen auch nicht beim 
Neueinschalten des Rauschgenerators. Erst wenn man sie kurz über eine 
höhere Spannung ansteuert, beginnen sie wieder zu rauschen.