Wovon hängt die Temperatur einer CPU ab?

Salem alaikum,

ich frage mich, wovon die Temperatur einer CPU abhängt. Nur von der V-Core oder auch von der Frequenz der CPU? Oder anders gefragt: was gilt?

- Je höher die Frequenz, desto wärmer wird die CPU. - Ja/Nein
- Je höher die V-Core, desto wärmer die CPU. - Ja/Nein

mehr mhz mehr hitze
mehr Volt viel mehr hitze

Original geschrieben von snooopy365
mehr mhz mehr hitze

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Aber warum? Kannst du mir das physikalisch erklären?

Die Gizmos bewegen sich schneller und erzeugen mehr hitzte!

Original geschrieben von King_Rollo
Aber warum? Kannst du mir das physikalisch erklären?

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Bei höheren Taktfrequenzen schalten die Transistoren deutlich öfter - mehr Temperatur.
Wenn du einen Auto-Motor auf 5.000 umdrehungen hochjagst wird er da auch heißer als wenn er im standgas läuft

Original geschrieben von King_Rollo
Aber warum? Kannst du mir das physikalisch erklären?

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Schonmal was von dem physikalischen Effekt der Reibung gehört? Je größer die Frequenz ist, an denen die Transistoren sich gegenseitig reiben, desto heisser werden sie. Kannst du ganz einfach nachspielen, in dem du deine Hände reibst. Je schneller du das machst, desto mehr wärmer werden sie.

Und ganz wichtig und sollte nicht vergessen werden: die Temperatur der CPU hängt natürlich direkt von dessen Kühlung ab! Wird die Temperatur nicht oder nur langsam abgeführt, dann überhitzt er sich (bis zum Tod bei den Freaks, die bei den Athlons keinen Kühler 'zum testen' benutzt haben ). Daher sollte man immer an einen guten Kühler achten.

Noch mal ganz konkret (ich streite mich nämlich gerade mit meinem Mitbewohner ):

Nehmen wir z.B. einen Athlon XP 1600+ (1400 Mhz) Thoroughbred und einen Athlon XP 2400+ (2000 Mhz) Thoroughbred, beide mit 1,6V V-Core.
Oder von mir aus einen Athlon XP 2500+ (1833 Mhz) Barton und einen Athlon XP 3200+ Barton, beide mit 1,65V V-Core.

Wird der 2400-er/3200-er wärmer als der 1600-er/2500-er und wenn ja warum?

Original geschrieben von King_Rollo
Wird der 2400-er/3200-er wärmer als der 1600-er/2500-er und wenn ja warum?

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Wie schon mehrfach gesagt, weil die Taktraten höher sind! Hier mal eine kleine Auflistung; je mehr Takt, je wärmer, desto höher in der Platzierung:

1. 3200+ (2200 MHz)
2. 2400+ (2000 MHz)
3. 2500+ (1833 MHz)
4. 1600+ (1400 MHz) (sicher, dass es ein T-Bred und nicht ein Palomino ist?)

Lass dich dabei nicht von dem PR-Rating ablenken! Es kommt einzig darauf an, was für ein Core die CPU hat, wie hoch sie bei welcher VCore getaktet ist und was für ein Kühler man dabei einsetzt. Bei gleicher Kühlung steht die obige Liste. Einzig der 2400+ und 2500+ dürften die nahsten Temperaturen erzeugen..

Aber warum wird die CPU mit steigender MHz-Zahl wärmer (physikalisch gesehen)?

Wärme entsteht dadurch, dass Ströme durch Widerstände fließen. Oder anders gesagt das elektrische Leistung in thermische Leistung umgewandelt wird. Um die Frage zu beantworten bietet es sich an anzusehen wofür el. Leistung "verbraten" wird:

Gesamtleistung = Dynamische Switchleistung + Kurzschluss Leistung + Leckstromverluste

1) Dynamische Switchleistung: Das ist die Leistung die verbraten wird weil Strom benötigt wird um einen Transistor umzuschalten.

P_dyn ~ C * Vdd² * f01

Ganz klar: je öfter man einen Transistor umschaltet (=> Taktfrequenz) desto mehr Leistung muss man dafür aufwenden. Die quadratische Abhängigkeit von der Versorgungsspannung kommt daher, dass jeder Transistor sich auch wie eine Kapazität verhält und Ladung in der "Basis" speichert -- wieviel Ladung in der Basis gespeichert werden kann hängt von der Betriebsspannung ab (Q = CU). Da aber W = 1/2 Q * U = 1/2 C * U * U => P ~ U².

Daneben gibt es noch weitere Verluste die im wesentlichen Technologieabhängig sind:

2) Kuzschluss Leistung wenn beide Transistor-Arten (p-MOS, n-MOS) leitend sind (Crowbar Effekt). Tendenziell sinkt bei schnelleren Transistoren dieser Verlustanteil.

Pcrow ~ t_sc * f01 * Imax * Vdd;

3) Leckstromverluste: Leckstromverluste setzen sich zusammen aus: Source-Drain Leakage (I_GS ~ [W/L]^c*(V_GS -V_T)), Reverse Bias (I_S) und Tunneling-Strömen I_T

P_leak ~ Vdd * I_leak


Einfluß der Frequenz auf die Verlustleistung:
Verdopplung der Frequenz => Verdopplung der dynamischen Verlustleistung;

Einfluß der Corespannung auf die Verlustleistung:
Verdopplung von Vdd => Vervierfachung der dynamischen Verlustleistung + Verdopplung der Leckstromverluste!

Jetzt sollte klar sein warum auch eine kleine Spannungserhöhung massive Auswirkungen auf die Verlustleistung (und damit Temperatur) der CPU haben kann.

P.S. IMHO ist die deutsche Variante Gleichungen anzugeben korrekter, denn es wird zwischen Einheit (hier Volt) und Größe (hier Spannung) unterschieden. Trozdem habe ich hier Vdd anstellt von Udd angegeben, weil sich die amerikanische Bezeichnungsweise international durchgesetzt hat.

Original geschrieben von Lucky Headshot
Die Gizmos bewegen sich schneller und erzeugen mehr hitzte!

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WIE BITTE?

Original geschrieben von Lucky Headshot
Die Gizmos bewegen sich schneller und erzeugen mehr hitzte!

Original geschrieben von [Uzntuk]McGizmo
WIE BITTE?

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Jaja, die kleinen Gizmos... daran erinnere ich mich auch noch...

Original geschrieben von Patmaniac
Schonmal was von dem physikalischen Effekt der Reibung gehört? Je größer die Frequenz ist, an denen die Transistoren sich gegenseitig reiben, desto heisser werden sie. Kannst du ganz einfach nachspielen, in dem du deine Hände reibst. Je schneller du das machst, desto mehr wärmer werden sie.

Und ganz wichtig und sollte nicht vergessen werden: die Temperatur der CPU hängt natürlich direkt von dessen Kühlung ab! Wird die Temperatur nicht oder nur langsam abgeführt, dann überhitzt er sich (bis zum Tod bei den Freaks, die bei den Athlons keinen Kühler 'zum testen' benutzt haben ). Daher sollte man immer an einen guten Kühler achten.

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Öhm... schätze mal das war bierernst gemeint .

Also wie HenryWince schon sagte, es gilt Q ~ (U^2)*f (vereinfacht). Wobei das Q ~ f nicht 100%ig hinhaut, weil bei steigender Taktrate die IPC minimalst absinkt und damit idR weniger Transistoren schalten (der Unterschied ist aber so gering, dass man ihn in der Praxis einfach rauslassen kann).

Der Rest ergibt sich aus einem konstanten Faktor, also sowas in der Art wie Q=c*(U^2*f) - das c hängt von der CPU ab (natürlich ) und auch in gewisser Weise von der Kernqualität.


Und zum Thema Kühlung: Die CPU produziert immer die selbe Wärme, die Temperaturdifferenz zur Umgebung steigt dabei so lange, bis die gesamte erzeugte Wärme abgegeben werden kann.
Bei einen SLK900 wird die Wärme eben bei einer geringeren Temp. Differenz abgegeben als bei einem einfachen Stück Blech .

um ma alles da oben für Leien auszudrücken: die Elektronen bewegen sich schneller - daher höhere Reibung, höhere Temperatur

Neben den schon genannten Faktoren sollte auch nicht vergessen werden, daß kein Die dem anderen im elektrischen Verhalten perfekt gleicht. Also sollte man die Antworten auf die genannten Fragen jeweils für den Durchschnitt aus mehreren CPUs mit gleichem Die (d.h. z.B. Barton, ohne die kleinen geometrischen Abweichungen im nm-Bereich zu beachten), gleicher Spannung und Taktfrequenz betrachten. Allerdings wird man keinen Barton finden, der bei korrekter Konfiguration die angegebene max. TDP überschreitet.

Danke an alle für eure geistreichen und hilfreichen Antworten!

Original geschrieben von HenryWince
Einfluß der Corespannung auf die Verlustleistung:
Verdopplung von Vdd => Vervierfachung der dynamischen Verlustleistung + Verdopplung der Leckstromverluste!

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Wieso soll denn die Verlustleistung durch die Leckströme nur linear ansteigen und nicht quadratisch? Kannst du mir das eventuell erklären (bitte so, dass es auch ein Nichtphysiker versteht )

Dass die Leckströme nicht mit der Taktfrequenz ansteigen ist mir klar.

Wenn man davon ausgeht, dass die Leiter untereinander einen konstanten aber eher geringen Wiederstand aufweisen müsste sich die Verlustleistung bei 2facher Spannung eigentlich auch ver4fachen.

Yup, sollte natürlich auch quadratisch von Vdd abhängen (unter der Annahme von kleinen Spannungsänderungen, ist der Widerstand annähernd konstant, und dadurch steigt der Strom natürlich auch proportional zur Spannung an)

@i_hasser:
1. heist es Widerstand und
2. ist der relativ groß und nicht klein

1. ich leiste dagegen Wiederstand

2. relativ zu 2 Leitern die voneinander isoliert sind ist der Widerstand relativ klein .

Ein Transistor brauch einige Zeit beim Umschalten, d.h. von hochohmig zu niederohmig.
In dieser Zeit wirkt sich dies als Wiederstand aus (wenn hoch oder niederohmig auch, aber beim schalten mehr). Und wie bekannt ist, setzt ein Wiederstand elekt. Energie in Wärme um.

Zeitlich betrachtet ist der Schaltzyklus viel, viel kürzer als die Zeit in dem er geschaltet oder nicht geschaltet ist.
Wenn du nun die Frequenz erhöhst, änderst du nix an der Schaltzeit, aber der Transistor beharrt nich mehr so lange im geschaltenen oder ungeschaltenen Zustand.
Damit ist die Zeit (Verhältnis) länger indem sich der Transistor als Wärmeabführender Wiederstand verhält.

Wobei man da eben sagen kann, dass ein Schaltvorgang pauschal zu einer Wärmeproduktion von Q führt. Diese Wärme wird dann bei jedem Schaltvorgang abgegeben, entsprechend ist die Wärmeabgabe über einen Zeitraum dann Q*f bei f Schaltvorgängen pro Sekunde.

Im Prinzip kann man ja die Formel: P = x*U²*f + y*U² verwenden. Das linke ist der Verbrauch wegen den schaltenden Transistoren, das rechte sind die Leckströme.

@andr_gin
> Wieso soll denn die Verlustleistung durch die Leckströme nur linear ansteigen und nicht quadratisch?

Weil die Tunnelströme eben fast konstant bleiben. An und für sich gibt es hier eine exponentielle Abhängigkeit, aber wenn man sich den Bereich zwischen relevanten Arbeitspunkten einer CPU mit heutiger CMOS-Technololgie betrachtet kann man das getrost linearisieren. Interessanter wird das ganze bei Double-Gate Transisoren (wie z.B. FinFET).

@i_hasser
> Wenn man davon ausgeht, dass die Leiter untereinander einen konstanten aber eher geringen Wiederstand aufweisen müsste sich die Verlustleistung bei 2facher Spannung eigentlich auch ver4fachen

Der Witz hier ist ja, dass du keinen - konstanten - Ohmschen Widerstand betrachtest sondern ein Tunneling-Phenomen, das primär abhängig vom el. Feld ist (=> Spannung).

> Wobei man da eben sagen kann, dass ein Schaltvorgang pauschal zu einer Wärmeproduktion von Q führt. Diese Wärme wird dann bei jedem Schaltvorgang abgegeben, entsprechend ist die Wärmeabgabe über einen Zeitraum dann Q*f bei f Schaltvorgängen pro Sekunde.

Yup. Genau das wird durch die dynamische Verlustleistung beschrieben.

Um Verwechslungen zu vermeiden: Der Buchstabe Q hat eine Doppelbedeutung, in meinem Posting stand Q für Ladung, hier für Wärmemenge (ist aber auch üblich).

@Fischgebruell
>Zeitlich betrachtet ist der Schaltzyklus viel, viel kürzer als die Zeit in dem er geschaltet oder nicht geschaltet ist.

Die Schaltzeit ist primär von zwei Dingen Abhängig:
1) Schaltspannung: je höher die ist deso schneller schaltet der Transistor
2) Fertigunstechnologie: grob gesagt je kleiner der Transistor, desto schneller

> Wenn du nun die Frequenz erhöhst, änderst du nix an der Schaltzeit, aber der Transistor beharrt nich mehr so lange im geschaltenen oder ungeschaltenen Zustand.

Wie du schon sagst bleibt die Schaltzeit konstant (Vdd hat sich nicht geändert und der Chip kann sich ja nicht auf magische Weise in ein Modell mit anderer Technologie verwandeln). D.h. die Leistung die für diesen Schaltvorgang benötigt wird bleibt erst mal gleich. Die Leistung die pro Zeiteinheit abgegeben wird ist aber proportional zur Taktfrequenz. D.h. bei höherer Taktfrequez => höhere Verlustleistung.

> Damit ist die Zeit (Verhältnis) länger indem sich der Transistor als Wärmeabführender Wiederstand verhält.

Das ist doch genau anders rum. Mehr Taktfrequenz heisst Erwärmungsereignisse pro Zeit und damit eine kürzere Zeit um die Wärme wegzuleiten.

Das würde also bedeuten, dass die Leckströme viel weniger ansteigen bei hohen Spannungen, als der Rest. Ich denke das wäre einmal einen Versuch wert
Am Besten würde sich hier ein Prescott eignen, weil der eben sehr viele Leckströme hat. Ich denke bei 0,8V vs. 1,6V müsste man schon etwas merken, wenn man den Takt nicht verändert bzw. gleich weit unten lässt. Dann ist auch der Anteil der Leckströme größer.