¿Por qué los circuitos integrados funcionan con baja tensión y alta corriente?

Question

He oído que una tarjeta gráfica típica consume unos 100 A de corriente y sólo 1 V de tensión. ¿Existe alguna razón específica por la que no sea al revés, es decir, alto voltaje y bajo amperaje? Normalmente, una corriente alta conlleva pérdidas elevadas, por eso las líneas de transmisión de energía suelen preferir un voltaje alto en lugar de una corriente alta. Entonces, ¿qué es lo que fundamentalmente no entiendo por qué es una mala idea para los circuitos integrados?

Answer 1

No estoy seguro de por qué esto no fue lo primero que se señaló en ninguna de las respuestas anteriores, pero es porque a medida que los transistores se hacen más pequeños para aumentar la velocidad, aumentar la densidad y reducir el consumo de energía, la capa de óxido de la puerta se hace más delgada (lo que también aumenta las corrientes de fuga).

Una capa de óxido de puerta fina no puede soportar voltajes muy altos, por lo que el dispositivo sólo funciona a voltajes muy bajos. Las capas de óxido finas también tienen más fugas, por lo que no se desea un alto voltaje de todos modos, ya que sólo aumentaría la corriente de fuga y aumentaría el consumo de energía estática.

Tu error es este:

El procesamiento de datos, a diferencia de los sistemas eléctricos, no consiste en suministrar energía, sino en procesar datos. Así que no es que los diseñadores elija para funcionar a tensiones bajas y corrientes altas, lo que va en contra de \$I^2R\$ . Sí, se preocupan por el consumo de energía y el calor debido a las pérdidas, pero no se preocupan por la entrega eficiente de energía. Un diseñador de potencia tiene que suministrar una cantidad X de potencia y aumentaría el voltaje para poder reducir la corriente y suministrar la misma potencia. Un diseñador digital reduciría la "potencia de salida" si pudiera.

Sus optimizaciones requieren bajas tensiones de funcionamiento, lo que se traduce en elevadas corrientes de fuga. El objetivo de estas optimizaciones es reducir el tamaño de los transistores para poder empaquetar más y conmutarlos más rápido, y cuando hay millones y millones de transistores conmutando con mucha frecuencia, se produce una gran carga/descarga de las capacitancias de puerta. Esta corriente dinámica da lugar a corrientes de pico elevadas, que pueden ser de decenas de amperios en la lógica digital de alta velocidad y alta densidad. Como ves, toda esta corriente y potencia es indeseada e involuntaria.

Lo ideal sería que no hubiera corriente, porque lo que nos preocupa es la información, no la energía. Los voltajes altos también estarían bien para la inmunidad al ruido, pero esto va directamente en contra de hacer los transistores más pequeños.

Answer 2

La potencia necesaria para conmutar una capacitancia de 0 lógico a 1 lógico (o viceversa) es proporcional a la frecuencia del reloj multiplicada por la tensión de alimentación. al cuadrado . En los circuitos digitales CMOS, las entradas de las puertas lógicas parecen condensadores, por lo que la carga y descarga de las capacitancias consume la mayor parte de la energía en estos circuitos.

Como usted menciona, el \$I^2R\$ Las pérdidas en los conductores aumentarán, por lo que las fuentes de alimentación de bajo voltaje se colocan lo más cerca posible del procesador. Mira una placa base moderna y verás un conector de 12V muy cerca de la CPU. También verás varios inductores y condensadores grandes... son para las fuentes de alimentación conmutadas de bajo voltaje.

Answer 3

Además de lo que señala Elliot sobre la energía necesaria para cargar las diminutas capacitancias asociadas a cada transistor en una GPU o CPU de alto rendimiento, hay que tener en cuenta el tamaño de cada transistor.

A principios de la década de 1980, la gente no se preocupaba mucho por la protección electrostática, pero yo empecé a prestar atención cuando me topé por primera vez con un transistor con una anchura de aislamiento de puerta de 1 micra (en 1982). Es la intensidad del campo eléctrico (voltios/metro), y no sólo la tensión, lo que provoca la rotura por alta tensión.

Se pueden obtener muchos V/m a través de una micra.

Ahora, los tamaños mínimos de las funciones son un par de órdenes de magnitud más pequeños, por lo que conectar los diminutos transistores del núcleo lógico de una CPU a la alimentación tradicional de 5 V simplemente los destruiría.

Los transistores de E/S se construían con un tamaño superior y eran especialmente resistentes, y los chips utilizaban raíles de alimentación independientes para las interconexiones de E/S. Pero cada vez más, incluso éstos sólo pueden tolerar 3,3 V o incluso 1,8 V. Pero cada vez más, incluso éstos sólo pueden tolerar 3,3V, o incluso hasta 1,8V. En las FPGA, prácticamente sólo los dispositivos de última generación siguen tolerando 5V.

Answer 4

Los numerosos transistores de un circuito integrado están conectados a las líneas VCC y masa, no entre sí, por lo que no "compartirán" tensiones, por así decirlo, como lo harían en serie (lo que no tiene sentido para CMOS, ya que se basa en la lógica de restauración de la corriente que pasa de una fuente VCC fuerte, no encadenada a través de un millón de transistores).

Los bloques CMOS están todos conectados a la misma VCC, por lo que tomarán más corriente con el mismo tensión, como si estuvieran en paralelo. Como los transistores sólo necesitan 1 V para funcionar, tú sólo necesitas 1 V. Pero hay miles de millones de transistores, y tienes que suministrar corriente a cada uno de ellos. Por eso se necesita una fuente de alimentación potente y condensadores de desacoplamiento para suministrar los 100 A de corriente en momentos de necesidad (para abreviar, las líneas de alimentación pueden actuar como inductor y, cuando mil millones de transistores se encienden al mismo tiempo, necesitan una enorme descarga de corriente; los condensadores de desacoplamiento se encargan de ello cuando el cable sigue oponiéndose a la enorme descarga de corriente).

Por eso se necesita mucha corriente pero poca tensión.

EDITAR:

Para añadir sobre las líneas de transmisión de energía, es cierto que la menor corriente da lugar a menores pérdidas, pero se trata de líneas de corriente alterna y se puede utilizar un transformador para convertirla a una tensión más baja con una corriente más alta (es decir, cuando las líneas de transmisión llegan a una ciudad y las casas necesitan 230V y no unos pocos kilovoltios). Se trata de un concepto bastante diferente, ya que los circuitos integrados sólo utilizan corriente continua. Creo que tu pregunta se refería al uso de alta corriente en los circuitos integrados y no necesariamente a la capacidad del circuito integrado para convertir entre alta/baja tensión y corriente. No obstante, comprendo su confusión entre los dos temas; espero que mi respuesta lo haya aclarado.

Answer 5

Te daré mi respuesta que se basa en la lógica digital 101 que tomé hace muchos años. La pérdida de potencia en un circuito integrado con reloj viene dada por esta fórmula:

P = V^2 * C * F

Donde P es la potencia, C es la capacitancia, V es la tensión (VCC) y F es la frecuencia de reloj.

Por eso, los chips que consumen mucha energía están optimizados para minimizar VCC. Si utilizaran una V más alta consumirían aún más energía.

Obsérvese que C es la capacitancia del proceso para la geometría del nivel del transistor y el tipo de fabricación utilizados.

En particular, la capa de la puerta del MOSFET puede hacerse extremadamente fina en los circuitos integrados de baja tensión. Sin embargo, esto también aumenta la capacitancia, C. Por lo tanto, hay compensaciones. Pero como la potencia es proporcional a V^2, suele merecer la pena minimizar V.