Überlegungen zur Elektromigration/Stromdichte und CPU Alterung

[.Sentinel.]

Hallo zusammen,

ich beschäftige mich in letzter Zeit viel mit der Haltbarkeit von CPUs im Zusammenhang mit Overclocking.
Vor allem auch, welche Einflussgrößen den höchsten Effekt auf eine vorzeitige Alterung der CPU bzw. deren Zerstörung durch Elektronenmigration haben.

Nachdem ich mich durch tonnenweise Seiten in Foren gewühlt habe und dort die unterschiedlichsten Meinungen vertreten werden, habe ich einfach mal ein wenig recherchiert und die Ergebnisse mit meinem begrenzten Verständnis in der Halbleitertechnik verarbeitet.

Nach meinem Verständnis entsteht Elektromigration vornehmlich durch das Verhältnis der Stromstärke (I) zum Leiterquerschnitt.
Das interessante daran ist, dass diesbezüglich in den Quellen erstmal kein Verhältnis zur Spannung hergestellt wird.

Nach meinem Verständnis wäre es somit genau nicht so, dass die Spannung per se die Elektromigration verursacht.

Um das in die Praxis zu übersetzen: Die CPU sollte eigentlich geschont werden, wenn man die maximale Spannung einer CPU im BIOS fixiert, die sie braucht, um ihren Maximaltakt zu erreichen.
Dadurch kann man sicherstellen, dass man wenig Stromstärke über die Leiter ziehen muss, um trotzdem die benötigte Schaltenergie zu erreichen.

Somit wird man zwar höhere Leckströme produzieren und damit die Betriebstemperatur erhöhen, die wiederum auch einen Einflussfaktor auf die Elektromigration hat.

Im Ergebnis jedoch sollte man bei adäquater Kühlung die CPU mit höherer Spannung eher schonen, als dass man mit niedrigeren Spannungen und dafür höheren Stromstärken operiert.

Wenn sich hier jemand gut mit Halbleitern/CPUs auskennt, wäre ich sehr dankbar, wenn er sich zu meinen Überlegungen äußern könnte.

Dank und Gruß
Zero

 

[Jesterfox]

Öhm... I=U/R

Mit einer höheren Spannung bekommst du zwangläufig einen höhere Stromstärke, zumindest innerhalb der CPU. Was vor den Spannungswandlern passiert ist nochmal ein anderes Thema (die "ziehen" tatsächlich eine konstante Energiemenge und daher bei höherer Versorgungsspannung weniger Strom)

 

[FranzvonAssisi]

Jaah, genau. Es ist richtig, dass du eine Schaltenergie E = U*I *t brauchst, jedoch stehen U und I ja in Abhängigkeit über - wie von Jesterfox geschrieben - R = U/I

R ist hierbei konstant (bzw. von anderen Faktoren beeinflusst, z. B. Wärme)
U wird erhöht, also muss sich I auch erhöhen.

 

[LOLinger78]

Die Alterung wird maßgeblich durch die Elektonenmigration beinflusst.
Diese ist abhängig vom Strom und somit von der Spannung.

Temperatur hat auf die Elektronenmigration bis hin zu Schwelltemperaturen einen (ggü. dem Strom) untergeordneten Einfluß.
Ich unterstelle, dass diese Schwelltemperatur in aktuellen CPUs zuverlässig durch Schutzmechanismen adressiert wird, da sie relativ hoch liegt.

Was aber definitiv nicht zu vernachlässigen ist, dass CPUs Warmleiter sind und der Strom damit über die Temperatur steigt.
Somit auch die Migration und Alterung.

 

[.Sentinel.]

Ja- Meine Frage ist, wie die Verarbeitung innerhalb der CPU stattfindet.
Angenommen ich Fixe die VCore bei 1.3 Volt.

Das Package zieht ohne Last dann "hypothetische" 10 Watt, dann sollte das doch weniger belastend sein, als wenn die VCore an der angelehnten SVID bei niedrigerer Spannung eine höhere Stromstärke über die Leiter schicken muss?

 

[mambokurt]

Keine Ahnung vom Thema aber mein Senf: kein Mensch wird dir sagen können wie sich das auswirkt, imho ist Elektromigration auch nicht das Thema bei OC. Als ich mit Oc angefangen habe hieß es schon es verkürze die Lebenserwartung der Chips, und das war um 1998. Sprich Elektromigration mag in den jetzigen Strukturbreiten eine Rolle spielen, wenn ich mal raten sollte ist das aber ein geringer Effekt unter vielen(der inzwischen an Bedeutung gewonnen haben mag aber nicht in dem Maße dass es einen Thread wert wäre).

An sich ist OC eine einfache Geschichte: wenn es anfängt heiß zu werden oder zu viel Strom zu ziehen drehst du runter und lässt es dabei. Ich wüsste jetzt keine Cpu die nach der Regel kürzer als eine Rechnerlebensspanne gelebt hätte (aka 4-6 Jahre) von daher einfach keine Platte machen und Stück für Stück ans Limit tasten und dann ein Stück zurückgehen. Mag jetzt arg vereinfacht klingen aber es ist auch einfach, die Cpu sagt dir ja wann es zu viel ist.

 

[Jesterfox]

Wenn die CPU mit VCore 1,3V 10W zieht... P=U²/R oder R= U²/P=0,169Ohm. Bei 1,2V sind das dann P=U²/R=8,52W

Dementsprechend sinkt die Stromstärke von 7,7A auf 7,1A (bei angenommen gleicher Temperatur, da diese den Widerstand beeinflusst)

 

[LOLinger78]

@ZeroZerp:
Bei geringerer Spannung fließt weniger Storm.
Mehr Spannung, mehr Strom, mehr Migration.

 

[Plutos]

Keine Ahnung vom Thema aber mein Senf: kein Mensch wird dir sagen können wie sich das auswirkt, imho ist Elektromigration auch nicht das Thema bei OC. Als ich mit Oc angefangen habe hieß es schon es verkürze die Lebenserwartung der Chips, und das war um 1998. Sprich Elektromigration mag in den jetzigen Strukturbreiten eine Rolle spielen, wenn ich mal raten sollte ist das aber ein geringer Effekt unter vielen(der inzwischen an Bedeutung gewonnen haben mag aber nicht in dem Maße dass es einen Thread wert wäre).

Dann hast du wohl damals zu Anbeginn der Pentium IV-Ära das Thema Sudden Northwood Death Syndrome komplett verpasst.

 

[.Sentinel.]

@LOLinger78
Das ist schon klar- Nur scheint die CPU ja einen "Mechanismus" an Bord zu haben, welche die Anforderung des Stroms unabhängig von den Voltzahlen regelt.
Wie sonst sollte sie sonst bei 1.3 Volt bei Vollast 100 Watt ziehen und bei den gleichen 1.3 Volt bei niedriger/keiner Last nur 10 Watt...

Und genau DA möchte ich wissen, wie sich das verhält... Und wo das geregelt wird.

Bei den alten Experimenten im Physik-LK war es ja auch immer die Stromstärke, die bei niedrigeren Spannungen letztenendes Schaden am Material angerichtet hat.

Jedoch hat die Spannung wie oben bereits Kriech- und Leckströme begünstigt. Welcher Effekt hat bei der Elektromigration die größere Auswirkung?

Grüße
Zero

 

[Jesterfox]

Bei niedrieger Last wird einerseits die Spannung reduziert und dann auch der Takt. Da der Strom nicht dauernd sondern nur pro Schaltzyklus fließt reduziert das den gemittelten Strom ebenfalls. Und dann können die CPUs auch noch Blöcke ganz abschalten wenn sie nicht gebraucht werden.

 

[Knito]

...welche Einflussgrößen den höchsten Effekt auf eine vorzeitige Alterung der CPU bzw. deren Zerstörung durch Elektronenmigration haben.

Nach meinem Verständnis ist die Elektronenmigration Folge der Alterung durch Belastung und nicht die Ursache.

Elektronenmigration zerstört nichts sondern die Kollegen fangen an zu wandern wenn die Leiter nicht mehr richtig getrennt sind.

 

[.Sentinel.]

@Knito
Die Kollegen fangen aber doch dann genau an zu wandern, wenn die Leiterbahnen vereinfacht gesagt durch zu hohe Stromstärken fortschreitend beschädigt werden...?

 

[rg88]

Nein, das ist Quatsch @Knito

Lies dich doch erstmal ein: https://de.wikipedia.org/wiki/Blacksche_Gleichung

 

[Knito]

Nein, das ist Quatsch @Knito

Lies dich doch erstmal ein: https://de.wikipedia.org/wiki/Blacksche_Gleichung

Och nö, zuviel Text... Steht ja schon ganz am Anfang, dass ich falsch lag.

 

[Mickey Mouse]

@LOLinger78Wie sonst sollte sie sonst bei 1.3 Volt bei Vollast 100 Watt ziehen und bei den gleichen 1.3 Volt bei niedriger/keiner Last nur 10 Watt...

Und genau DA möchte ich wissen, wie sich das verhält... Und wo das geregelt wird.

du darfst die CPU nicht als einen großen Widerstand sehen, das ist dein Fehler!

der größte Teil des Stroms kommt ja durch Umladen von Kapazitäten (meist "parasitäre", also das sollen gar keine Kondensatoren sein, sondern so ein Transistor "hat" zwischen Basis und Emitter eben auch einen parasitären Kondensator) zustande.

es kommt bei einem Chip, speziell so einem komplexen, riesigen Flatschen wie einer CPU immer zu sogenannten "hot spots", wo die Stromstärke am höchsten ist. Zusätzlich gibt es in jedem Design die "critical paths" die den maximalen Takt vorgeben, manchmal/häufig fällt das auch zusammen...

am Ende ist das ganze ein Teufelskreis:
a) hoher Takt zusammen mit hoher Spannung (und auch Temperatur) führt zu EM
b) die EM führt dann dazu, dass man höhere Spannungen (führt zu höheren Strömen) benötigt den Status Quo zu halten
c) das führt wieder zu a) und somit höherer EM, also muss man wieder die Spannung erhöhen, wir drehen uns im Kreis.

 

[.Sentinel.]

Bei niedrieger Last wird einerseits die Spannung reduziert und dann auch der Takt. Da der Strom nicht dauernd sondern nur pro Schaltzyklus fließt reduziert das den gemittelten Strom ebenfalls. Und dann können die CPUs auch noch Blöcke ganz abschalten wenn sie nicht gebraucht werden.

OK- Jetzt habe ich aber die Spannung über das Mainboard für jeden Schaltzyklus auf 1.3 Volt gefixt.

Einmal muss das System also bei default 1,1Volt die Schaltenergie erreichen und einmal bei 1.3Volt.
Da müssen doch zwangsläufig bei Szenario 1 mehr Ampere über die Schiene.
Die Frage ist, schaden die mehr (so sieht es für mich, wenn man die Definition der Stromdichte bezüglich der Elektromigration betrachtet), oder weniger...

@Mickey Mouse

hoher Takt zusammen mit hoher Spannung (und auch Temperatur) führt zu EM

Das ist mir schon klar - Die CPU meldet ja ihren "Bedarf" an, und um bei zunehmend hohen Frequenzen der CPU beim Schalten auch zunehmend auf die Finger zu klopfen, gibt man noch ein wenig Spannung drauf.

Jedoch meldet sie ja auch ihren Bedarf an, wenn ich einfach eine hohe Spannung festlege aber die CPU dann z.B. idlen lasse. Somit muss es ja mindestens zwei Regeltechniken geben (Volt+Ampere), die sich unabhängig voneinander dann den angeforderten Schaltstrom generieren...

Zudem ist die Frage, ob nicht die Schwankungen bzw. das ständige Pulsen des Stroms bei nicht gefixter VCore nicht auch einen Negativ- Effekt haben (von Overshoot etc. nicht zu sprechen)...

Grüße
Zero

 

[Harvesthor]

Meine Vermutungen:
Jede Rechenoperation besteht aus dem Umschalten von Transistoren. Damit ein Transistor schaltet muss Ladung übertragen werden. Diese Ladung ist für einen Transistor recht gering summiert sich aber, wenn mehrer Transistoren geschaltet werden. Wenn der Prozessor viel rechnet, dann werden viele Umladungen in kurzer Zeit benötigt. Ladung pro Zeit entspricht der Stromstärke. Hierdurch ergibt sich aber nur eine durchschnittliche Stromstärke. Vor allem der erste Impuls, der die Umladung einleitet, ist deutlich höher als der über den Schaltvorgang gemittelte Strom

Wozu ist also die Spannung nötigt?
Die Spannung ist nötig, um die Transistoren schnell zu schalten. Wird der Takt erhöht, haben die Transistoren immer weniger Zeit um ihre/n Ladung/Zustand zu ändern. Das kann dazu führen, dass ein Transistor am Ende des Taktes noch nicht komplett geschaltet (die Ladung getauscht) hat und damit ein unerwarteten Zustand besitzt. Um den Transistor auch in der kürzeren Zeit zuverlässig zu schalten muss die nötige Ladung schneller übertragen werden, das wird erreicht durch eine Erhöhung der Spannung. Dadurch wird zum Schalten ein stärkerer Strom bereit gestellt. Auch hier ist wieder der Beginn des Schaltimpulses am stärksten und über dem durchschnittlichen Strom über den Schaltprozess.

So stelle ich es mir jedenfalls vor, Quellen habe ich leider keine

Edit: Nachtrag
Du darfst nicht verwechseln, dass nicht eine bestimmte Energie zum schalten nötig ist, sondern eine bestimmte Ladung. Sprich bei 2V wird nicht die halbe Stromstärke benötigt verglichen mit 1V. Wenn man sogar davon ausgeht, dass bei 2V die doppelte Ladung in die Kapazitäten fließt (nicht ganz richtig, da die Kapazität in dem Fall auch abhändig der Spannung ist) fließt sogar auch die doppelte gemittelte Stomstärke. ABER, ganz wichtig: Es ist nicht der mittlere Strom relevant sondern die hohen Spitzen am Anfang des Schaltens, und die steigen mit der Spannung deutlich mehr als der gemittelste Strom.

 

[.Sentinel.]

das wird erreicht durch eine Erhöhung der Spannung. Dadurch wird zum Schalten ein stärkerer Strom bereit gestellt

Das erhöhen der Spannung ist doch aber nur ein Faktor bei der Ladungsübertragung.
Spannung allein zieht eben noch nicht zwangsweise einen höheren Strom nach sich auf einer CPU bzw. auf der Leiterbahn zum Transistor.

Sonst wüde es dieser schwer fallen, bei 1,4 Volt trotzdem nur 15 Watt Package Power zu ziehen...

Hier wird bis jetzt immer automatisch das Szenario viele Volt=Hohe Hertzzahlen+Belastung gleichgesetzt...

Ich rede aber gerade von Auswirkungen einer hohen Voltzahl auf den Teillast/Niedriglastbereich...

Grüße
Zero

 

[Kinkerlitzchen*]

Einmal muss das System also bei default 1,1Volt die Schaltenergie erreichen und einmal bei 1.3Volt.
Da müssen doch zwangsläufig bei Szenario 1 mehr Ampere über die Schiene.

Warum? Die Leistung ist ja keine Konstante. Wegen I=U/R und folglich P=U²/R würde in dem Fall ebenso I linear und P quadratisch runtergehen.