Warum werden Prozessoren heiß?

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Der Unterschied besteht meines erachtens darin, dass das Kabel in der Wand ein Leiter ist und die CPU ein Verbraucher darstellt. Soll heißen, das Kabel in der Wand hat einen ziemlich kleinen Ohm´schen Widerstand (ich glaube bei Kupfer 0,0170 Ohm pro Meter pro Quadratmillimeter

Die CPU hat einen deutlich höheren Widerstand. Aber es fließt trotzdem ein ordentlicher Strom. Nach der Formel P=U*I siehst du, dass Leistung (Wärme) nur durch einen Spannungsabfall (U) und Strom (I) zustande kommt. Dies ist eben eher bei der CPU so, weil ein größerer Widerstand da ist und demnach eine höhere Spannung abfällt...

Diese Antwort ist in dieser Form nicht richtig. Die Ohmschen Regeln kann man für einen Vergleich anwenden, wenn es sich um statische Verbraucher wie z.B. eine Glühbirne, Heizung, usw. handelt. Ein Porozessor ist ein funktionsabhängiger (dynamischer) Verbraucher, wie z.B. auch ein Motor. Da ist es auch ein riesiger Unterschied ob er im Leerlauf oder unter Last läuft; der reine ohmsche Widerstand ändert sich durch die Lastverhältnisse um rein gar nichts.

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@Sorbas48

Abgesehen davon verursacht ein größerer Widerstand bei gleicher Spannung eine kleinere Leistung! (und keine größere) es zählt bei einem Verbraucher die Anschlussspannung nicht der Spannungsabfall.

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@Sorbas48

Worin besteht das Problem?`

Die Stromleitung wird auch warm! Die hat nur eine entsprechend große Oberfläche um die Wärme abzuleiten und die Ströme sind klein.

Eine CPU hat eben viele kleine Leiter auf sehr engem Raum.

Die ohm´schen Gesetze gelten wieder für jedes Leiterstück. Hinzu kommen natürlich auch induktive und kapazitive Widerstände.

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Das ist so falsch, die Hitze wird durch störende Ströme erzeugt, die durch fehlerhafte Transistoren innerhalb des Prozessors entstehen

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@Oerk1

Bedeutet:

In allen elektronischen Schaltungen, in denen die Transistoren gehühlt werden müssen, sind diese defekt. Deshalb funktionieren diese Schaltungen ja auch.

Und die Logig soll dabei gefälligst draußen bleiben.

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In eimem Prozessor wurden Informationen mal durch "Strom fließt" und "Strom fließt nicht" dargestellt. Bis Mitte der 70er floss durch jeden geöffneten Transistor bis zu 20mA was so ungefähr 1/10 Watt pro Transistor an Leistung verheizt hat.

Eine Zuse Z25 (technischer Stand Mitte 60er, arbeitet mit etwa 700 Hz Taktfrequenz) summierte sich der Stromverbrauch zum reinen rechnen auf knapp 3kW! Die Abwärme wird mit einem ganzen Dutzend Drehstrombetriebenen Ventilatoren aus der Anlage gepustet.

Heutzutage benutzt man Feldeffekttransistoren die im statischen Fall (0Hz Taktfrequenz) komplett Leistungslos angesteuert werden. Die werden mit einer Spannung angesteuert und haben theoretisch einen unendlich hohen Eingangswiderstand wodurch kein Strom fliesst. Wird aber umgeschaltet, so muss von "Spannung da" zu "Spannung weg" gewechselt werden. Die Leitungen zum Transistor und der Transistor selber haben aber eine parasitäre Kapazität. Dieser Kondensator muss also zum Umschalten aufgeladen oder entladen werden wodurch dann trotzdem ein Strom fließt.

Bei der Motorola 68000 CPU (War im Amiga Heimcomputer drin) werden genau 68000 Transistoren eingesetzt. (Übrigens die einzige CPU die nach der Anzahl der verwendeten Transistoren benannt wurde). Bei jedem Takt lädt sich ein relativ kleiner Teil davon um, braucht also ganz plötzlich jeweils viel Strom. Da das mit maximal 5Mhz passiert und nicht so viele Transistoren gleichzeitig umschalten hält sich der Stromverbrauch und die Ohmschen Verluste in der Verdrahtung des Chips noch in Grenzen. Eine Kühlung ist nicht notwendig.

Bei einer modernen CPU schalten aber viele Millionen von Transistoren gleichzzeitig und nicht nur unter hundert wie beim Amiga. Zwar sind die Strukturen wesentlich kleiner und somit auch die parasitäre Kapazität des Transistors, dafür gibt es aber viel mehr Transistoren wodurch die Gesamtkapazität steigt.

In einer klassichen CPU arbeitet immer nur ein kleiner Teil der CPU gleichzeitig. Erster Takt war holen des Befehls, zweiter war analysieren des Befehls, dritter Vorbereiten der Schaltkreise um den entsprechenden Befehl abarbeiten zu können, vierter das holen von einer optionalen Variable, der fünfte war dann das eigentliche bearbeiten und der sechste dann das Ergebnis irgendwo speichern. Je nach Befehl wurde noch ein zwischenschritt benötigt wodurch die CPU alles in etwa 6 bis 7 Schritten wie am Fließband erledigt hat.

Bei einer modernen CPU wird nicht gewartet bis der aktuelle Befehl fertig ist. Da stehen mindestens 4 "Fließbänder" parallel und die Werkstücke (Befehle) kommen sofort wenn der Eingang frei ist. Da wird im Gegensatz zu früher nicht gewartet bis der letzte Bearbeitungsschrit in der Reihe fertig ist. Dadurch arbeiten alle Teile der CPU stets gleichzeitig.

Somit hat man wesentlich mehr Transistoren die auch noch mit einem sehr hohen Prozentsatz alle gleichzeitig schalten!

Und der größte Faktor beiom Stromverbrauch ist die Taktfrequenz. Bei jedem Takt müssen die Leitungen umgeladen werden. Je höher der Takt, desto öfter pro Zeit muss umgeladen werden. Zudem muss das Laden und Entladen schneller passieren damit der Ladevorgang fertig ist bevor der nächste Takt ansteht. Ein schnellerer Ladeprozess erfordert natürlich noch höhere Strome. Es muss also öfter und mit mehr Gewalt geladen und entladen werden.

Kann man sich vorstellen wie einen Ziegelstein auf einem Tisch. Liegt er auf dem Tisch, so ist es eine "1". Liegt er auf dem Boden, so ist es eine "0". Muss man den im Minutentakt umladen, so kommt man gar nicht ins Schwitzen. Aber wenn man den mindestens 1x pro Sekunde umladen muss, dann wird es ganz schön anstrengend. Vor allem steigt der Kraftaufwand mit der Geschwindigkeit mit der man den Stein heben muss.

Also ich erkläre mir das so, vergleiche doch mal so eine CPU mit einer Kabeltrommel. Da laufen kabel übereinenander untereinander in einer ziemlichen Dichte. Wenn ich jetzt an einer Kabeltrommel ein 1000 Watt Gerät anschließe und die Tromme aufgerollt ist, wird sie so heiß das sie abschaltet. Ein aufgerolltes Kabel kühlt eher ab als ein eufgewickeltes Kabel. Es heißt ja immer das Kabel komplett zu entrollen. Bei der CPU hat man diese Möglichkeit aber nicht, also muß man sie kühlen. Das wäre meine einzige Erklärung dazu. Auch ein in der Wand verlecktes Kabel kann seine Wärma an die Wand den Stein usw. problemlos abgeben.

ich schätze mal, dass die leiterdicken im prozessor auch ein bisschen verantwortlich dafür sind (64 nm technologie und kleiner...) denn je kleiner der querschnitt, desto größer der wärmeverlust. das ist aber ein muss, denn ansonsten kann man die millionen von transistoren nicht in so kleinem raum platzieren.

schau dir mal einen transistor von normaler größe an, wie sie zb in schaltnetzteilen verwendet werden, an. die werden auch warm, aufgrund der stromstärke, silizium ist eben ein halbleiter.

Eine CPU macht Millionen von Rechenoperationen. Wie bei einer elektromechanischen Maschine braucht auch eine CPU für jede Operation Leistung.

Das ist auch leicht im Unterschied zwischen Leerlauf und starker Belastung zu erkennen. Je höher getaktet und je mehr Operationen je Takt eine CPU macht, desto mehr Strom braucht sie.

Die Betonung liegt auf "braucht" im Sinne eines Verbrauchers. In einer Glühbirne ist auch ein kurzer Draht, der extrem heiß wird, dem Kabel zu diesem "Verbraucher" lässt dieser Strom (fast) völlig "kalt".

Allerdings: Je kleiner die Technologie in Nano-Meter, desto kleiner auch der Strom für die Rechenleistung (nicht umgekehrt wie hier schon als Meinung geäußert!). Man kann sich das eher mit "weniger schwerfällig" vorstellen, die die kleinere Technologie arbeitet

Schließe mich Deiner Meinnung oben wie hier an, nun ja, wie sagt man so schön: Wissen ist macht, Unwissenheit schadet nicht ... oder so! Noch was dazu erwähenn, dass CPU´s in der Die miniaturisierungstechnologie immer kleiner werden und gewissen physikalischen Grenzen und Gesetze unterteilt sind. Auch richtig die Ohmschen Gesetze sind hier ein Fake, zur Belegung des Theorems verfehlt, in der CPU hast es genau erklärt ist relevanz des Verbrauches in Bezug auf LEISTUNG gemessen gleich Wärme (Energie)! Da waren schon die Griechen vor 2700 näher dran es theoretisch zu belegen...

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@greecedrummer

Greecdrummer deine Antwort verwirrt mich.

Aber die ohm´schen Gesetze gelten für Miniaturleiterbahnen genau so wie für Kabel. Allerdings würde man es insgesamt schon ohne die ohm´schen Gesetze beschreiben da hier fast ausschließlich differentielle Widerstände zum tragen kommen.

P(t) = u(t) * i(t) würde dann gelten.

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