Temperaturverhalten von CPU´s (Silizium)

[saber_]

Hi,

mich wuerde das temperaturverhalten vom silizium sehr interessieren!

es ist ja nunmal so:

die cpu besteht aus silizium und silizium ist ein halbleiter... hitze im cpu entsteht beim umschalten der binaeren ausgangszustaende und duch leckstrom...

kuehlt man die cpu runter - so kann man mit dem takt hoch -> WARUM?

liegt es etwa an der waermeausdehnung des siliziums? unter waerme dehnt sich das ganze und die interatomaren abstaende werden groesser und somit sinkt die leistungsfaehigkeit?

waere sehr dankbar wenn jemand da paar gute quellen haette mit physikalischen erklaerungen und falls es sowas wie eine tabelle mit dem thermischen verhalten von silizium gibt wuerde mich das auch interessieren...


vielen dank schonmal


(hab ueberall gesucht, aber zu dem thema finde ich nicht wirklich was im netz oder im forum)

 

[Jason-B]

Es liegt vor allem daran, das man wenn man (viel) mehr takt hat auch eine höhere Spannung anlegen muss.
Wenn es dann nicht gekühlt würde, würde der CPU verbrennen.

 

[saber_]

man kann ja auch bei konstanter spannung den fsb erhoehen?


aber es geht mir primaer garnicht so um einen prozessor.... sondern wirklich um diesen effekt des siliziums!

arbeite mich zur zeit in das thema photovoltaik ein (will sone anlage auf dem haus) und bin zufaellig ueber gekuehlte module gestoßen...

das ist quasi das gleiche prinzip wie beim prozessor - nur andersrum

durch eine kuehlung des siliziums kann man deutlich mehr strom erzeugen ... und mich interessiert nun das warum?

was im silizium ist dafuer verantwortlich dsa es sich so verhaelt wie es sich verhaelt?

 

[w1ll0w]

Na ist das nicht in etwa so?
Bei Kühlung weniger Eigenbewegung der atomaren Teilchen, sprich Kerne und Elektronen und deshalb weniger störende Einflüsse, wenn ein elt. Strom anliegt, da die Ladungen über die "ruhigeren" Elektronen besser transportiert werden können, da es weniger Kollisonen/Behinderungen durch die Kerne gibt.

Das ist jetzt allerdings nur gesundes Halbwissen

 

[Lar337]

Durch erhöhte Temperatur werden Ladungsträger frei, die anfangen entlag ungewünschter Wege zu fließen.
Ich gehe mal davon aus, dass diese Leckströme die Fehler bei weiterem Übertakten verursachen, wenn man die CPU nicht vorher herunterkühlt, damit diese Leckstörme nicht mehr vorkommen und die CPU stabiler läuft.

 

[ruthi91]

Das ist auch genauso bei GPUs.

HT4U hat mal einen Test zum Stromverbrauch in Abhängigkeit zur Temperatur mit einer GTX 285 gemacht, und bei 60° hat sie 203 watt verbaucht und bei 85° 225 watt.

Hier zum nachlesen : http://ht4u.net/reviews/2009/leistungsaufnahme_graka/index9.php

 

[paxxie]

hmm
das was du meinst sind 2 verschieden sachen die jedoch miteinander zusammen hängen.

was die beweglichkeit von elektronen in einem (halb)leiter angeht sieht es so aus dass diese mit steigender temperatur abnimmt. wie meine vorredner auch schon treffend erklärt haben hängt das damit zusammen dass sich freie elektronen durch ein gerüst aus atomen durchschlängeln müssen. je heißer das ganze wird desto mehr schwingen die atome u die mitllere freie weglänge bis das elektron das erste mal irgendwo anstößt wird länger. es kann länger beschleunigen u kommt so leichter von a nach b.

also wäre es wünschenswert einen leiter immer im maximalen nullpunkt zu betreiben da dort die beweglichkeit am größten ist u somit der widerstand am geringsten.

bei einer cpu sieht das alles ein bisschen anders aus.
ein halbleiter ist ein stoff der im intrinsischen zustand (nicht dotiert) bei tiefen temperaturen gar nicht leitend ist. deshalb wird er auch häufig heißleiter genannt. dh bei niedrigen temperaturen befinden sich alle elektronen im valenzband u sind fest gebunden. wird die temperatur so weit erhöht dass die mitlere thermische energie eines elektrons größer ist als die bandlücke so kann es in das leitungsband u wird als freies elektron bezeichnet. es kann sich nun durch das kristallgitter bewegen und der halbleiter wird leitfähig.


bei einer cpu nutzt man beim übertakten mehrere effekte.
das mit dem kühlen hängt mit der ersten teil meiner erklärung zusammen. man will den widerstand innerhalb der cpu verringern wodurch das elektron schneller von einem ort zum anderen gelangen kann. hierbei ist die maximal erreichbare weglänge sehr interessant:
gehen wir davon aus wir haben eine cpu mit 4ghz getacktet. das bedeutet ein takt hat eine dauer von 0.0.00000000025 sekunden.
gehen wir davon aus das elektron hätte keinen widerstand und würde sich mit lichtgeschwindigkeit bewegen erhalten wir eine maximale weglänge von 7,5 cm.
ihr seht da kommen wir langsam in bereiche wo der widerstand der diese geschwindigkeit erheblich verlangsamt interessant wird

durch die höhere spannung werden die parasitären kapazitäten schneller umgeladen. damit ist eine höhere frequenz möglich

 

[Lar337]

Das erklärt aber nicht die Möglichkeit die Spannung fehlerfrei zu erhöhen, wenn man die Temperatur absenkt.

 

[paxxie]

die gibt es auch nicht.
mit einer guten kühlung kann man sie lediglich weiter erhöhen ohne dass dadurch der halbleiter wärmer wird u der widerstand steigt.

leistung = Spannung im quadrat / Widerstand

dh die leistung steigt proportional zum Spannungsquadrat

Ergänzung (25. September 2009)

ach ja was auf jeden fall noch zu sagen wäre.
selbst unser photovoltaik prof an der uni stuttgart (führend auf diesem gebiet) empfiehlt heut noch solarkollektoren u keine solarzellen.
vakuumsolarkollektoren sind deutlich billiger als solarzellen und sind was die energieeffizienz angeht deutlich besser. natürlich hat man damit keine primärenergie erzeugt sondern "nur" warmes wasser, jedoch ist es für unseren breitengrad deutlich besser geeignet.

nachdem die große förderung der solarzellen auch erledigt ist solltest du das wohl nochmal überdenken.