Рассмотрим этот вопрос сначала как это было на практике, потом в теории.
17 лет я работал в Вычислительном Центре Главсредволговодстроя г. Саратова и занимался обслуживанием трех ЭВМ : ЕС-1020, ЕС-1035, ЕС-1035, т.е. чинил эти ЭВМ, в том числе и Процессоры.
1.
ЭВМ ЕС-1020 была построена на микросхемах серии 155.
Это слаботочные микросхемы. Питание +5В.
Логическому 0 соответствовало напряжение 0.4 В
Логической 1 соответствовало напряжение 4,2В – 4,4 В.
Разница между логической 1 и 0 была примерно 4 В.
Тактовая частота ЦП – 2 мГц.
Блоки питания ЦП – «+5В, 5А» ,«+5В, 10А» . Общим числом 10.
Быстродействие ЦП – 20 000 операций в секунду.
Процессор по размеру с шифоньер, наличие вентилятовов.
Специальных мер по охлаждению ЦП и Машинного зала не было.
Машинный зал – 80 кв.м.
2.
ЭВМ ЕС-1035 построена на микросхемах серии 500.
Это сильноточные микросхемы. Питание «-2.7В».
Логическому 0 соответствовало напряжение «-2.1В»
Логической 1 соответствовало напряжение «-1В».
Разница между логической 1 и 0 была примерно 1.1 В.
Тактовая частота ЦП – 22мГц.
Блоки питания ЦП – «-2.7В, 80А», «-5.2В, 80А». Общим числом 20.
Быстродействие ЦП – 200 000 операций в секунду.
Процессор по размеру с шифоньер, наличие мощьных вентилятовов.
Специальные меры по охлаждению ЦП - поддув холодного воздуха под ЦП от внешнего кондиционера с улицы.
Машинный зала охлаждался 18 бытовыми кондиционерами БК-2000.
Машинный зал – 80 кв.м.
Энергопотребление большое, но это было в СССР!
3.
Мой домашний ПК построен на Процессоре i7 10700K.
Тактовая частота 3800 – 5000 мГц.
Потребление тока – 100 А.
Напряжение питания 1.15В
Типичное тепловыделение 125 Вт
Рабочая температура до 100 С.
Размер чипа 37.5 Х 37.5 мм
Техпроцесс 14 нм.
Охлаждение ЦП – два блока «Радиатор – Вентилятор 120мм».
Охлаждение корпуса – 5 вентиляторов 120мм.
Практические выводы:
Увеличение быстродействия требует увеличения токопотребления и отвода тепла.
Теория.
Быстродействие ЦП зависит от величины задержки распространения сигнала на переходе «База – Коллектор» транзистора, из которого построены микросхемы ЦП.
Если в момент времени t на базу приходит сигнал, то на коллекторе он появится через время dt.
dt – это время задержки сигнала.
Чем меньше время задержки, тем быстрее работает транзистор и микросхема.
От чего зависит время задержки?
Смотрите рисунок ниже.
Время задержки распространения сигнала зависит от времени рассасывания объёмного заряда Q в районе базы транзистора.
Самый простой способ уменьшить время задержки – увеличить ток базы, так как Q = I * t.
Но это чревато увеличением тепловыделения.
Второй способ уменьшить время задержки – уменьшить величину объёмного заряда в районе базы. Это сложнее и технологичнее.
Пусть у нас есть схематичное изображение элементов транзистора при изготовлении микросхем и чипов ЦП по технологии 28 нм.
Если мы уменьшим технологический слой до 14 нм, то при той же площади элементов физический объём материала полупрводника уменьшится в 2 раза, а значит, при прочих равных условиях, уменьшится величина объёмного заряда в районе базы.
Быстродействие микросхемы увеличится.
Вот почему прогресс здесь идёт и по такому пути – уменьшение технологического процесcа при изготовлении микросхем и чипов ЦП.
Сотрудники Вычислительного Центра Главсредволговодстроя г. Саратов, 1977-1993.
-------------------------------
Если Вам понравился материал статьи, подпишитесь пожалуйста на мой канал в целом.
Для этого пройдите по ссылке ниже и нажмите кнопку "Подписаться"
https://dzen.ru/profile/editor/id/62cd3cfc63f88417d7e74b79