[Verständnissfrage] Warum immer geringere Kernspannungen, statt niedrigerer Strom?

[AssassinWarlord]

Nabend allerseits...
entweder ich stehe gerade aufm schlauch, oder ich weis es echt nicht warum es so ist...und zwar:
Warum wird die Kernspannung immer geringer angesetzt bei neueren CPUs, anstatt den Stromfluss zu verringern um die Verlustleistung zu minimieren?
Ich weis zumindest, das es schwerer ist einen stabilen Hohen Strom bereitzustellen, und vorallem das es schwer ist hohe ströme zu transportieren da da leitungswiderstände viel mehr ins gewicht fallen als wenn man eine hohe spannung hat und dafür geringere ströme (wie Fernstrecken-Stromübertragungen von Kraftwerken).

Ich kann mir das nur so erklären, das man gezwungen ist die spannnung immer niedriger anzusetzen weil die Transistoren immer kleiner werden, damit auch viel enger zusammengerückt werden, und das z.B. bei 1.5V es schon zu internen spannungsüberschlägen kommen könnte... aber ist das wirklich schon soweit, das selbst bei 1.5V Spannungsüberschläge auftreten könnten? Die Transistoren haben doch ein dialektrikum drumherrum um von anderen Transistoren abgeschottet zu sein *grübel*

Währe es also nicht "engergiesparender" wenn man eher eine höhere spannung anlegt, dafür den Strom"verbrauch" reduziert damit es zu einer geringeren erwärmung der einzelnen leiter kommt?



Kannn mich mal bitte einer Aufklären?

 

[ibm9001]

Vereinfacht ausgedückt: Weil der Strom bei einem gegebenen Widerstand von der anliegenden Spannung abhängt.

Und in diesem Fall gilt: je kleiner die Spannung desto kleiner der Strom und damit auch die Verlustleistung.



ibm9001

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[AssassinWarlord]

ja, das hab ich mir schon gedacht, das der innenwiderstand der CPU mächtig gering sein muss - aber warum ist das so? einfach weil soviele transistoren parallel geschaltet sind? das kann es doch nicht sein, oder? warum optimiert man die CPUs nicht dahingehend das der innenwiderstand höher ausfällt, damit eben der nötige Strom geringer wird, man dafür die Spannung etwas raufsetzen kann und somit die internen verluste etwas kompensieren könnte

 

[Ralle86]

Gibt es doch sehr stark bei Grakas. Eine Graka braucht standardmäßig 1,09V und der selbe Chip auf einer anderen braucht nur 1V. Bei beiden wird die Stromstärke ungefähr gleich sein. Dadurch werden die internen Verluste weitesgehend kompensiert.

 

[dannyl2912]

Widerstände produzieren immer Abwärme, deswegen versucht man Spannung und den Innenwiderstand niedrig zu halten.

Eine Herdplatte z.B. ist auch nichts anderes als ein Heizwiderstand und nicht umsonst sehr stromfressend.

 

[AssassinWarlord]

ist es aber nicht so, je niedriger der innenwiderstand, desto mehr strom muss fließen damit überhaupt etwas passiert? damit entstehen eben auch kurzzeitig an manchen stellen hotspots? ein Widerstand mit 5 Ohm wird garantiert heißer als einer mit 500Ohm - bei der selben stromquelle

 

[dannyl2912]

Das wäre die Frage, da sich Widerstände in Halbleitern anders verhalten wie man es von jedem anderen elektrischen Widerstand erwarten würde.

Das Problem sind die Leckströme in Halbleitern mit zunehmender Spannung.

 

[Stefan032]

Ich versuchs mal als E-Techniker zu erklären.
Erst mal das hat nichts mit der paralelschaltung zu tun die du beschrieben hast. Normale Transistoren oder MOSFETS haben heut zu tage bei ansteuerung einen Innenwiderstand von einigen Milliohm. Das ist Physikalisch begrenzt. Auch bei CPU's wird das nicht anderst sein, wobei dort durch die kleinere Baugröße ein noch kleinerer Innenwiderstand besteht.
Also Widerstand konstant-> Formel ist "Strom =Spannung durch Widerstand" Um den Strom kleiner zu bekommen kann man jetzt nur die Spannung senken.

Hoffe das war verständlich

 

[AssassinWarlord]

ist das Gate bei MosFets nicht hochohmig? sogar so hochohmig das man es mit einem Widerstand "kurzschließen" muss damit es den schaltzustand nicht hält?...hmm, gut, kann natürlich auch sein, das man diesen Widerstand der am gate hängt mitlerweile so niederohmig machen muss, wegen den hohen schaltzüklen, das der FET auch sauber ein und ausschaltet ohne einen dämmerzustand dazwischen zu haben

 

[dannyl2912]

@Stefan032

Danke, ich wollte auch erst ne Formel auspacken, als ehemaliger Physik-Leistungskursler kommen ein paar noch wie aus der Pistole geschossen.

Aber mit dem letzten Satz kann man problemlos den stabilen OC-Zustand gegen den Non-OC-Zustand erklären, der in einer CPU erreicht wird. Man benötigt meistens etwas mehr Spannung, im gleichen Zug steigt der Strombedarf der CPU. Achso und die steigende Abwärme bekommt man dafür geschenkt.

 

[Stefan032]

ist das Gate bei MosFets nicht hochohmig?

Das ist richtig. Aber durch das Gate wird das MOSFET ja nur angesteuert. Der wichtigere Widerstand ist ja bei ansteuerung zwischen Drain und Source und der muss so niedrig wie möglich sein da ja dies die Verluste verursacht.

@dannyl2912

genau! Leistung ist ja Strom mal Spannung und in einem Widerstand ist die Leistung dirket die Wärme. Also steigt die Abwärme quadratisch zur Spannung! Heißt doppelte Spannung führt zu 4fachen Wärme

 

[[HOT]]

Es gibt auch Fertigungstoleranz. Es gibt FXen mit 1,33V die totale Hitzköpfe sind und es gibt FX mit 1,4V die total gut gehen. Tendenziell ist der Stromverbrauch geringer, je niedriger die Spannung ist, jedoch ist das keine Garantie, dann verbraucht der Chip eben umso mehr Strom (bei niedrigerer Spannung). Ein gutes VRM auf einem AMD-FX-Board beispielsweise muss mehr als 100A liefern können, da trotz LLC die Spannung im hohen Lastzustand meist auf unter 1,35V (BIOS-Standard) sinkt.
Was auch zu beachten ist, dass der Innenwiderstand steigt, je heißer der Chip ist, da die Metallbahnen im Chip einen höheren Widerstand bei höheren Temperaturen haben. Die PCGH hat das anhand Wassergekühlter 290x nachgewiesen, die brauchten etwa 35W weniger bei gleichem Takt/Leistung aber dank Wasser nur auf 40-50°C.
Bei der SuperHighPerformance-Fertigung bei den FXen dürfte das sogar noch schlimmer ins Gewicht fallen.

 

[dannyl2912]

Fertigungstoleranzen dürfte es in dem Bereich nicht geben, da diese direkt der Selektierung mit anschließender Beschneidung und im Extremfall dem Ausschuss zugeordnet werden. Produktionsfehler bei der Maskierung der Wafer fallen in der ersten Prüfung nach dem Ätzen auf. Und da gibt es meines Wissens nach keine Toleranz, da ein defekter Bereich in einer CPU/GPU oder was auch immer Mikrochip weitreichendere Probleme verursachen kann. Die Fertigungstoleranz, die bei dem Packaging entsteht, ist natürlich ein anderer Schuh, was ein unterschiedliches Temperaturverhalten leicht erklärt - siehe Haswell und die WLP unter dem Heat-Spreader.

Alle Hersteller versuchen ihre Ausschussrate im Laufe eines Zyklus immer weiter zu verringern. Ich möchte nicht wissen, bei was für Prozentwerten die manchmal anfangen.

 

[Stefan032]

Es gibt auch Fertigungstoleranz. Es gibt FXen mit 1,33V die totale Hitzköpfe sind und es gibt FX mit 1,4V die total gut gehen. Tendenziell ist der Stromverbrauch geringer, je niedriger die Spannung ist, jedoch ist das keine Garantie, dann verbraucht der Chip eben umso mehr Strom (bei niedrigerer Spannung).
Was auch zu beachten ist, dass der Innenwiderstand steigt, je heißer der Chip ist, da die Metallbahnen im Chip einen höheren Widerstand bei höheren Temperaturen haben.

Das stimmt leider nur teilweise. Kupfer hat ein höheren Widerstand bei höherer Temperatur. Aber es geht ja um CPUs die bestehen aus Silizium was ein Heißleiter ist. Sprich bei höherer Temperatur sinkt der Widerstand. Klar gibt es Fertigungstoleranzen wollte mich algeimein halten.

 

[[HOT]]

Das stimmt leider nur teilweise. Kupfer hat ein höheren Widerstand bei höherer Temperatur. Aber es geht ja um CPUs die bestehen aus Silizium was ein Heißleiter ist. Sprich bei höherer Temperatur sinkt der Widerstand. Klar gibt es Fertigungstoleranzen wollte mich algeimein halten.

Ein gern gemachter Denkfehler. Bedenke die Mengenverhältnisse. Der Strom fließt durch das Metall.

Fertigungstoleranzen dürfte es in dem Bereich nicht geben, da diese direkt der Selektierung mit anschließender Beschneidung und im Extremfall dem Ausschuss zugeordnet werden. Produktionsfehler bei der Maskierung der Wafer fallen in der ersten Prüfung nach dem Ätzen auf. Und da gibt es meines Wissens nach keine Toleranz, da ein defekter Bereich in einer CPU/GPU oder was auch immer Mikrochip weitreichendere Probleme verursachen kann. Die Fertigungstoleranz, die bei dem Packaging entsteht, ist natürlich ein anderer Schuh, was ein unterschiedliches Temperaturverhalten leicht erklärt - siehe Haswell und die WLP unter dem Heat-Spreader.

Alle Hersteller versuchen ihre Ausschussrate im Laufe eines Zyklus immer weiter zu verringern. Ich möchte nicht wissen, bei was für Prozentwerten die manchmal anfangen.

Theoretisch hast du recht, praktisch nicht. Es gibt nichts was 100%ig ist und in diesen Bereichen haben schon allergeringste Abweichungen drasdische Konsequenzen. Prozessoren werden auch nicht selektiert, sondern getestet und dann grob sortiert. Das geschieht weniger nach Taktbarkeit, sondern eher nach Funktion. Selektieren für alles ist einfach viel zu teuer. Das wird maschinell grob getestet und dann verpackt. Bei AMD geschieht das in Malaysia.
Die FX9-Serie war sicher anfangs selektiert, ist sie heute mit steigender Fertigungsqualität und sinkender Abweichungen sicher auch nicht mehr.

Beim Haswell ist im Übrigen die WLP gar nicht schuld sondern die Fertigungsabweichungen des HS. Das ist ein absolutes billiges Massenprodukt und er liegt nicht immer 100%ig auf dem Die auf, meist ist er auch nicht wie gewollt plan sondern meist eher konkav geformt, gibt aber auch konvexe. Das Flüssigmetall gleicht diese Unebenheiten aus, WLP ist zu schlecht dafür um größere Hohlräume zu ersetzen.

 

[Stefan032]

Gute möglich das ich mich geirrt habe danke für den Hinweis! Ich hoffe trotzdem das eigentliche Thema korrekt beantwortet zu haben

 

[AssassinWarlord]

achso, also geht es um den Strom, der geschaltet wird... da stellt sich mir aber die frage - warum schaltet man solch geringe spannungen? ein transistor kann doch weit höhere spannungen schalten? *confused*

 

[Stefan032]

Ich glaube ich muss das noch mal genauer erklären.
Also dir muss klar werden das Spannung und Strom miteinander zusammenhängen. Wenn du Spannung an einen Leiter anlegst fließt Strom. Wenn die Spannung größer wird steigt auch der Strom. Also schaltet man gewissermaßen gleichzeitig Strom und Spannung. Man will nun ja die verluste so gering wie möglich halten, also macht man die Spannung so klein wie möglich. Man könnte auch eine CPU aus IGBT's machen die tausende Ampere (Strom) und sehr hohe Spannungen schalten können. Macht aber wenig Sinn bei solch einem IGBT müsste man einen großen Kühlkörper benutzen (für einen einzigen bzw für jeden) da die locker mal 50W verbraten. Wenn man überlegt wie viele millionen Transistoren in einem einzigen CPU stecken, könte man dies mit IGBT'S nicht verwirklichen.
Ich hoffe dieser Bildliche vergleich erklärt es dir ein wenig
Wenn nicht sag was unklar ist. In solch technischen Fragen kann ich weiterhelfen.

Gesendet von meinem GT-I9505 mit der Hardwareluxx App

 

[AssassinWarlord]

und Spannung und Strom hängt in diesem sinne nur darum zusammen, weil der Widerstand gegeben ist und dieser ein "Fixwert" ist?

aber bei Hochspannungssystemen ist es doch auch so, das je höher die spannung wird, desto niedriger der Strom sein muss um an ende eine fest definierte Leistung zu bringen *confused* ich verstehe halt nicht so recht, warum es eigentlich so hohe verluste gibt in der CPU

 

[ibm9001]

Bei der Hochspannungsübertragung will man möglichst effizient und preiswert elektrische
Energie übertragen.

Vereinfacht gesagt gilt auch hier P = U * I -> Leistung = Spannung x Strom

Man transferiert die Spannung hoch, um den Strom auf der Leitung möglichst klein halten
zu können. Das macht man deshalb, weil die Leitungen natürlich auch einen elektrischen
Widerstand besitzen und damit bei der Übertragung Verluste erzeugen.

--------------------------------------------------------------------------------------

Bei einem Prozessor möchte man ebenfalls möglichst wenig Verluste erzeugen.

Leider kann man bei einem Halbleiter die Spannung nicht beliebig erhöhen. Vereinfacht
ausgedrückt liegt das daran, dass schon eine relativ kleine Spannungserhöhung
die internen Strukturen zerstört. Der Aufbau und die Funktionsweise der Halbleiter
sind dafür schlicht nicht geeignet.

Man muss also, um die Verlustleistung klein zu halten, die Spannung reduzieren.

Hinzu kommt das die Spannung quadratisch in die Verlustleistung eingeht.

I = U/R

P = U * I -> P = (U * U) / R daraus folgt P = U²/R


Deshalb versucht man bei Prozessoren die anliegende Kernspannung möglichst klein zu halten.



ibm9001

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[DSmon]

Der Widerstand eines Prozessors ist doch nicht fix, sondern variabel, oder? Ich glaube, darum geht es dem TE.

 

[dannyl2912]

@[HOT]

Selektierung und Sortierung sind in dem Zusammenhang gleich zu stellen. Ist alles eine Frage der Genauigkeit. Natürlich selektieren sie, entweder wird aus einer Haswell-CPU ein Celeron, ein Pentium oder halt ein i7. Daher die Beschneidung, defekte Funktionseinheiten werden z.B. per Lasercut deaktiviert und die CPU geht dann weiter. Das Packaging findet frühestens nach dem ersten Funktionstest statt, wenn ich mich nicht irre.

 

[[HOT]]

@[HOT]

Selektierung und Sortierung sind in dem Zusammenhang gleich zu stellen. Ist alles eine Frage der Genauigkeit. Natürlich selektieren sie, entweder wird aus einer Haswell-CPU ein Celeron, ein Pentium oder halt ein i7. Daher die Beschneidung, defekte Funktionseinheiten werden z.B. per Lasercut deaktiviert und die CPU geht dann weiter. Das Packaging findet frühestens nach dem ersten Funktionstest statt, wenn ich mich nicht irre.

Die Dies werden getestet, verpackt, sortiert und gebranded. Wenn es eine Selektion geben soll, kommen diese Kandidaten bei der Sortierung heraus und müssen per Hand getestet und dann gebranded werden. Genau das ist so teuer daran.
Natürlich kann man das kategorisieren, dass die Testmaschine macht auch als Selektion bezeichnen, verwirrt aber nur und trifft nicht den Punkt. Eine CPU ist ein absolutes Massenprodukt und wird nur ganz grob kategorisiert.
Man überlege sich das, bei Intel sind das 1000e pro Tag, die da durchgehen. AMD fliegt die Dies von Dresden nach Malaysia, von wo sie dann in den Verkauf gehen. Deswegen steht da immer "Diffused in Germany" (Dresden) drauf und "Made in Malaysia".

 

[AssassinWarlord]

Baut AMD immernoch bei GlobalFoundries in Dresden?

scheint also einfach so zu sein, das man die spannung nicht höher machen kann, bzw. den Widerstand nicht höher machen kann damit der eben nicht soviel strom verbraucht. auch wenn ich immernoch nicht so genau weis, warum der widerstand so gering ist in einer CPU.

 

[senbei]

Wenn du den Widerstand erhöhen willst brauchst du mehr Platz, aber bei immer weiter schrumpfenden Fertigungsgrößen ist der nicht vorhanden.
Würde man die Spannung erhöhen schlägt sie irgendwann einfach durch und man hat einen Lichtbogen statt einem Prozessor.

 

[AssassinWarlord]

ah, ok, also hat es doch was mit der durchlagfestigkeit zu tun. und das Dielektrikum reicht da auch nicht mehr, oder?