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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Warum CPU und GPU so kleine U


Autor: AxelX (Gast)
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Hallo,

warum laufen CPUs und GPUs oft mit so kleinen Spannungen um 1V?

Ist das nicht ungünstig, weil dann Leitungswiderstände stärker zum 
Tragen kommen wegen der höheren Ströme?

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

Autor: Rolf Magnus (rmagnus)
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AxelX schrieb:
> Hallo,
>
> warum laufen CPUs und GPUs oft mit so kleinen Spannungen um 1V?
>
> Ist das nicht ungünstig, weil dann Leitungswiderstände stärker zum
> Tragen kommen wegen der höheren Ströme?

Welche höheren Ströme? Die Spannungen macht man unter anderem so 
niedrig, damit auch die Ströme niedriger werden und so die 
Leistungsaufnahme sinkt.

Autor: Kirsch (Gast)
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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.

Autor: Alex Zäd (alexander_z49)
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Weiterhin können durch die geringere Spannung die Strukturen kleiner 
werden, da die Isolation zwischen den Transistoren geringer ausfallen 
kann.

Autor: A. K. (prx)
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Seit Jahren ist die CPU/GPU-Leistung hauptsächlich von der maximal 
sinnvoll möglichen Wärmeabfuhr des Gehäuses begrenzt. Die 
Verlustleistung wächst aber mit dem Quadrat der Betriebsspannung.

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Autor: Alexander (Gast)
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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?

Autor: Hurra (Gast)
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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.

Autor: Alexander (Gast)
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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.

Autor: A. K. (prx)
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Ob die Erklärung nun stimmt oder nicht, die Gleichung selbst kann so 
falsch nicht sein. Denn die findet sich auch bei Intel.

Autor: Axel Schwenke (a-za-z0-9)
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AxelX schrieb:
> warum laufen CPUs und GPUs oft mit so kleinen Spannungen um 1V?

Weil es Vorteile hat. Sie werden so schneller, kleiner (billiger 
herzustellen) und verbrauchen weniger Leistung. (Nicht: Strom!)

> Ist das nicht ungünstig, weil dann Leitungswiderstände stärker zum
> Tragen kommen wegen der höheren Ströme?

Deiner Frage nach scheinst du zu glauben, eine CPU würde weniger
Strom brauchen wenn sie mit höherer Spannung laufen würde.

Dieser Glaube ist falsch. Grundfalsch.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Alexander schrieb:
> Weshalb sinkt der Strom?

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

Autor: Boner Big Boner (Gast)
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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.

Autor: mal überlegen... (Gast)
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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.

Autor: AxelX (Gast)
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Dazu hätte ich noch zwei Fragen...

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

2)Welche Kernspannung hat ein AVR?

Beitrag #4983280 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Boner Big Boner (Gast)
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> 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.

Beitrag #4983286 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #4983287 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #4983291 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #4983297 wurde von einem Moderator gelöscht.
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Autor: Wolfgang (Gast)
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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.

Autor: CMOS (Gast)
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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.

Autor: Joachim B. (jar)
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CMOS schrieb:
> Auch bei CMOS Prozessoren gibt es pn-Übergänge und da ist 0.7 V bei
> Silizium ein realistischer Wert.


dann sollten wir zu Germanium MOS wechseln :-)

Autor: AxelX (Gast)
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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)

Autor: Joachim B. (jar)
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AxelX schrieb:
> (deshalb funktionieren unbenutzte Ge-Transistoren nach ein paar Jahren
> bis Jahrzehnten nicht mehr)

Si u.U. auch nicht mehr wenn Sauerstoff an den Anschlüssen 
eindiffundiert, alles schon dagewesen, ich wunderte mich über einen 
"spratzenden" Vorverstärker und dachte an Schalter- Poti- Kontakte, nein 
es war ein BCxxx.

Autor: AxelX (Gast)
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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)

Autor: Manfred (Gast)
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War da nicht auch noch das Problem der elektrischen Feldstärken in den 
immer enger werdenden Strukturen?

Autor: Joachim B. (jar)
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AxelX schrieb:
> Kann es sein, dass auf diese Weise Rauschtransistoren entstehen?

der Fehler trat nach ca. 20 Jahren auf und hörte sich wirklich an wie 
Kontaktprobleme, mal mehr, mal weniger und mal ganz in Ordnung, so das 
ich immer wenn es auftrat sofort an Potis und Stecker gewackelt hatte.
Wenn dan Ruhe war dachte ich Fehler lokalisiert, aber Fehlanzeige, 
irgendwann war mir das zu doof und ich bin mit dem Oscar ran bis zum 
Trasi!

: Bearbeitet durch User
Autor: AxelX (Gast)
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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.

Autor: Joachim B. (jar)
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AxelX schrieb:
> Joachim B. schrieb:
>> und hörte sich wirklich an wie
>> Kontaktprobleme, mal mehr, mal weniger
>
> Erstaunlich. Das sollte man mal näher untersuchen.

och der Fehler ist seit 10 Jahren behoben den Trasi habe ich nicht mehr 
und leider auch nicht den Kollegen der als Phyiker Ausfälle von 
Transistoren durch Plasmaöffnung untersuchte.

So ein Fehler in meinem 45 Berufsjahren gab es nur einmal für mich.

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