Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule :D

Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Hi Leute!

Ich schreibe eine Maturaarbeit für die Schule und es geht unter anderem auch über die CPU.
Es wäre sehr nett von euch, wenn ihr mir bei diesen Fragen helfen könntet. Nützliche Links wären natürlich auch sehr gut:

1. Warum muss man die Spannung erhöhen um höher takten zu können? Was bewirkt also die Spannungserhöhung genau in der CPU drinnen?

2. Warum kann man die CPU höher takten, wenn die CPU-Temperatur sehr tief ist? Was bewirkt die niedrige Temperatur in der CPU drinnen?

3. Was genau versteht man eigentlich unter z.B. 3 Ghz? Gemeint ist nicht, dass die CPU 3 Mia. Berechnungen pro Sekunde machen kann sondern was bei den Leitungsbahnen in der CPU geschieht? Also Was geht durch die Bahnen und wie oft....

Ich habe an PCGH gedacht und denke, dass hier sicher einpaar sind, die das wirklich wissen. Es wäre sehrt gut wenn ich eben diese Zusammenhänge verstehe, um den praktischen Teil der Arbeit auch theoretisch begründen zu können.

Vielen Dank für eure Hilfe!

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Zu eins und zwei ist der Grund wohl beim el. Widerstand zu suchen.

Zu drei beschreibt die Angabe der Hertz, wie oft das Clock Signal (ein el. Signal)der CPU den Zustand von Niedrig->Hoch->Tief durchläuft. Wären bei 1 Hz genau 1/s ist.
Mit dem Clock Signal werden die übrigen Schaltkreise der CPU gesteuert.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

also 3. kann ich denke ich mal so beantworten:

1 Hz (Hertz) bedeutet dass eine schaltung 1 mal pro sekunde den zustand von an und aus wechseln kann. 1 Hz = 1/t = 1/sekunde. die einheit ist ein maß für die frequenz. das bedeutet kurz gesagt: einmal an und wieder aus in einer sekunde.

3 GHz = 3000 MHz = 3.000.000 KHz = 3.000.000.000 Hz. Das heißt dass die schaltungen in einem prozessor (fast ausschließlich transistoren) in einer sekunde 3 Mrd mal den Zustand zwischen an und aus wechseln können.

ja und zu 1. und 2.: genaueres weiß ich nicht, bzw. ich will dir kein halbwissen vermitteln fest steht jedoch, dass nach dem Ohmschen gesetz folgende beziehung zwischen stromstärke (I) widerstand (R) und spannung (U) besteht: R = U / I bzw U = R * I. das heißt je größer der widerstand wird, desto mehr muss die spannung oder die stromstärke erhöht werden.

was die elektronik angeht kannst du ja hier mal ein bisschen schmökern: http://www.elektronik-kompendium.de/

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Zu 1: Denke man muß die Spannung erhöhen um das Signalrauschen zu kompensieren was entsteht bei hohen Taktfrequenzen.
So nebenbei vergrößert man dadurch den Toleranzbereich in dem ein Signal noch für gültig erklärt wird.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

sehr gut.. damit kann schonmal was anfangen.

wieso aber steigt der Widerstand? und ist der Wiederstand nicht kleiner, wenn die Stromstärke erhöht wird, wobei man die Stromstärke eigentlich nicht beeinflussen kann?

ein schwacher widerstand ist von Vorteil für die CPU und für das Übertakten oder?

Zu Subaru:

was ist ein Signalrauschen?

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

XHotSniperX schrieb:

1. Warum muss man die Spannung erhöhen um höher takten zu können?

2. Warum kann man die CPU höher takten, wenn die CPU-Temperatur sehr tief ist?

3. Was genau versteht man eigentlich unter z.B. 3 Ghz?

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1.) Die Spannung ist sozusagen der "Antrieb" der Transistoren, ihren Zustand von Durchlässig zu undurchlässig zu ändern. je höher dieser Antrieb ist, desto schneller kann der Transistor schalten (stimmt nicht ganz da es hier noch weitaus mehr Faktoren gibt, sollte aber anschaulich reichen). Man braucht weniger Spannung bei kleineren Transistoren aber mehr Spannung für schnelleres Schalten. Physikalisch geht es hier im Grunde um bestimmte Sprunggrenzen von Elektronen in dotierten Halbleitermaterialien - da wird die Wikipedia aber sicher weiterhelfen können wenn du so ins Detail gehen willst.

2.) Das liegt daran, dass der Elektrische Widerstand bei sinkender temperatur mit sinkt. Temperatur ist Teilchenbewegung, je heißer, desto schneller. Elektronen müssen sich zwischen schwingenden Atomkernen durchbewegen - was natürkich besser geht wenn die Atome mehr Ruhe halten - und das ist eben bei kleiner Temperatur der Fall (vgl. Brown'sche Molekularbewegung). Bei Halbleitern ist das ganze etwas komplizierter aber ich denke mal das würde zu weit führen.

3.) 3GHz entspricht physikalisch gesehen 3*10^9 Schwingungen pro Sekunde. Das ist der Arbeitstakt, mit dem die Transistoren einer CPU angeprochen werden, d.h. ein Transistor kann 3*10^9 mal in der Sekunde seinen Zustand verändern. Das hat direkt mit Rechenleistung nichts zu tun (dafür gibt es den Wert Rechenleistung pro Takt oder machmal auch grob IOPS/s (=Integrated Operations per second) genannt).

EDIT: Signalrauschen ist ein normales Physikalisches Phänomen, dass auftritt, da jede Leiterbahn eine Induktivität aufweist und daher nicht einen Zustand in unendlich kleiner Zeit von 1 auf 0 oder umgekehrt wechseln kann dondern sich alles immer einschwingen muss (genauer gesagt das Signal natürlich exponentiell (e-Funktion) ab oder zunimmt) - dadurch kommt es neben den gewollten informationstragenden Spannungsspitzen zu kleineren Ausschlägen - wenn diese so groß oder so schnell hintereinander kommen/werden kann man evtl-. nicht mehr zwischen gewollter und induktiver Spannung unterscheiden - dann ist das Signalrauschen so graoß, dass keine Datenübertragung mehr (eindeutig) möglich ist. Das ganze hat auch was mit übertakten zu tun und ist einer der vielen Faktoren, die ich bei 1) nicht erwähnt habe

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Incredible Alk, danke für deine Ausführliche Erklärung.

Zumindest die 2. Frage habe ich sehr gut verstanden.

Jetzt fehlen nur noch die erste und die dritte:

Wie genau meinst du das mit dem Antrieb ihren Zustad von Durchlässig zu undurchlässig zu ändern? Oder um das ganze besser zu verstehen, was machen die Transistoren genau? Ich habe im Internet nur zu komplizierte Texte gefunden, bei denen ich nicht schlau geworden bin. Also hat das mit der Geschwindigkeit der Elektronen zu tun, wenn die Spannung erhöht wird oder wie?

Zu Frage 3:

Was meinst du mit dem Verändern des Zustands der Transistoren?

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Vielleicht red ich ja völligen mist, dann bitte ignoriert mich einfach!

1) Das ohmsche Gesetz bei elektronischen Widerständen zu verwenden halt ich für sinnfrei!

2) Niedrigere Temperaturen sind deshalb anzustreben, weil ab einer bestimmten Temperatur ganz einfach das Silizium aus dem CPUs gefertigt sind (zumindest deren Transistoren) den Bach runter geht!
Weiters besteht bei hohen Temperaturen ein erhöhtes Risiko der sogenannten Elektronenmigration!

@IncredibleAlk:
Kann dem auch nicht ganz zustimmen.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern wird durch Temperaturerhöhung (in gewissem Maße) sogar erhöht!

Mal ganz ehrlich:
Du musst für deine Maturaarbeit jegliche Quellen angeben. Willst du wirklich Informationen in deine Arbeit einbauen, die du hier im Forum erhälst? Denke kaum, dass das den wissenschaftlichen Aspekt deiner Arbeit stützen kann. Bitte versteht mich niemand falsch, aber die Gefahr, dass hier sogenanntes Halbwissen verbreitet wird, ist wirklich groß. Ich würde das nicht in meine Arbeiten einbauen.
Ich unterrichte zwar Physik, kann deine Fragen aber nicht so beantworten, dass ich dafür die Hand ins Feuer legen würde. Kauf die Fachliteratur und studiere die.

Mfg mmayr

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

XHotSniperX schrieb:

Wie genau meinst du das mit dem Antrieb ihren Zustad von Durchlässig zu undurchlässig zu ändern? Oder um das ganze besser zu verstehen, was machen die Transistoren genau? Ich habe im Internet nur zu komplizierte Texte gefunden, bei denen ich nicht schlau geworden bin. Also hat das mit der Geschwindigkeit der Elektronen zu tun, wenn die Spannung erhöht wird oder wie?

Zu Frage 3:

Was meinst du mit dem Verändern des Zustands der Transistoren?

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Naja um das zu verstehen musst du verstehen was ein Transistor ist und was er tut! Ein Transistor ist ein elektronisches Bauteil, dass entweder für Stom (=Elektronenfluss) durchlässig oder undurchlässig ist (das sind seine zwei Zustände). Die Zustandsänderung wird hervorgerufen durch eine Steuerspannung (der 3. Pol eines Transistors). Wikipedia wird dir helfen das mit vielen Bildchen zu erklären, das ist mit Text sehr schwer machbar. Dass du nur komplizierte Texte findest liegt eben daran, dass das Thema sehr kompliziert ist! Die Elektronengeschwindigkeit ist im übrigen keine entscheidende Größe, glaub mir die Dinger sind schneller als jede Schaltgeschwindigkeit eines Transistors. Es geht hier eher um die Energie der Elektronen (die Proportional mit der Beschleunigungsspannung wächst und in eV = elektronenvolt gemessen wird (auch hier hilft Wiki)) die einen Einfluss darauf hat ab wann ein Elektron eine bestimmte "Hürde" überwinden kann oder nicht.

Das ganze ist insgesamt ein Thema, dass man ohne weiteres ohne ein Studium der Thematik nicht detailliert darstellen kann. Ich bin schon seit längerer Zeit unter anderem Solche Dinge am Studieren und auch ich habe bei vielen Zusammenhängen Verständnisprobleme. Das was ich dir hier schreibe sind an sich nur Grundlagen, wie eine CPU funktioniert im innersten ist sehr sehr viel komplizierter!

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

1). Die Spannung muss ab einem Wert erhöht werden um die Flankensteiheit zu erhöhen. Wenn die Frequenz so hoch ist, dass steigende und fallende Flanken sich im Bereich des Störspannungsabstandes überschneiden, dann werden die Pegelübergänge nicht mehr erkannt. Wird die Spannung erhöht, werden die Flanken steiler und die Frequenz kann weiter erhöht werden.

2). Frag mal einen Extremeoverclocker, ob das überhaupt stimmt. Ich glaube nicht, dass eine CPU mit -180°C (falls du so tiefe Temperaturen meinst) überhaupt arbeiten kann, sondern durch sehr hohe Hitzeentwicklung bei OC-rekordversuchen mit solchen Mitteln, wie Trockeneis gekühlt werden muss, um überhaupt im normalen Temperaturbereich zu bleiben.

3). Eine CPU, die z.B. mit 3GHz läuft, kann theoretisch 3000000000 Operationen pro Sekunde ausführen. Da aber viele Operationen mehr als einen Taktzyklus zu Ausführung benötigen, sind es natürlich weniger.

@Ahab
Ohmsches Gesetz - wie der Name sagt, gilt auch nur für ohmsche Widerstände, also lineare Widerstände. Bei Halbleitern, die kein lineares Verhalten haben, kannst du das Ohmsche Gesetzt knicken.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

mmayr schrieb:

V
Kann dem auch nicht ganz zustimmen.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern wird durch Temperaturerhöhung (in gewissem Maße) sogar erhöht!

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Richtig, deswegen habe ich erwähnt dass es bei Halbleitern nicht ganz Stimmt in dem Post

Die Elektronen in einem Halbleiter brauchen Energie um über "Widerstandshürden" nenn ichs mal zu springen, die bekommen sie durch Spannung, KÖNNEN diese aber auch durch Temperatur bekommen, daher sinkt der Ohmsche Widerstand in (dotierten) Halbleitern mit der Temperatur, das ist aber NUR bei Halbleitern so, da hier der Stromfluss im eigentlichen Sinne anders verläuft als in Elektrischen Leitern (fürsn nachzulesen vgl. Wiki Valenzelektronen, Halbleiter, Dotierung, Metallbindung usw.). Das alles hier breit und physikalisch einwandfrei zu erklären wäre aber eine Aufgabe für mehrere Tage

EDIT: Hier hab ich maln paar Bildchen hochgeladen dass du mal grob nen Überblick bekommst wie kompliziert das alles wirklich ist... (Quelle: 1. Semester Werkstoffwissenschaft Scriptteil 1/12)
http://rapidshare.com/files/310771457/funktionsteil1.pdf

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Zu 2.: Im Halbleiter entstehen ständig kleine sog. Leckströme. Wenn die Temperatur und/oder die Spannung zu hoch wird, werden diese Leckströme so stark, dass der Transistor draufgeht. Bei niedriger Temperatur entstehen diese eben weniger (frag mich jetz nich warum das alles so ist, google mal "Leckströme")

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

OK, also erstens mal danke ich allen für die Antworten. Ich hab schon gedacht, dass es sehr kompliziert wird.

Um es nicht falsch zu verstehen, muss ich nicht eine Arbeit über die CPU mit extrem detaillierten Erklärungen schreiben, sondern nur die 3 Fragen verstehen, um erklären zu können, warum diese Zusammenhänge beim Übertakten von grosser Bedeutung sind. Also stimmt es denn nun nicht, dass eine CPU mit z.B. -100 Grad Celsius höher getaktet werden kann? Funktioniert sie bei solchen Temperaturen überhaupt, wenn nein warum nicht?

Und ist die CPU bei Extremoverclockern nicht bei den angezeigten extrem tiefen Temperaturen, oder ist nur die Flüssigkeit bei diesen Temperaturen?

So wie es aussieht, wird es zu kompliziert.

Braucht man also mehr Spannung, um den Elektronen mehr Energie zu beschaffen, sodass sie dem Widerstand trotzen können?

Noch eine wichtige Frage:

Wieso wird der Widerstand erhöht, wenn die Temperatur oder der Takt steigt? Was genau ist da überhaupt der Widerstand? Wäre sehr gut, wenn ihr nicht gerade die schlimmsten Fachausdrücke benutzt, da ich nicht ein CPU Wissenschaftler bin.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

SPIRITus-96 schrieb:

Ich glaube nicht, dass eine CPU mit -180°C (falls du so tiefe Temperaturen meinst) überhaupt arbeiten kann, sondern durch sehr hohe Hitzeentwicklung bei OC-rekordversuchen mit solchen Mitteln, wie Trockeneis gekühlt werden muss, um überhaupt im normalen Temperaturbereich zu bleiben.

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Nein. Sie laufen wirklich im bereich von -180°. Die Temperatur kann bis zum absoluten Nullpunkt (ich glaube -281°C) gesenkt werden- theoretisch! Denn bis dahin bewegen sich Elektronen. Darunter erstarrt jegliche Teilchenbewegung. In der Regel tritt der sog. Cold-Bug (das Einstellen des Betriebs aufgrund zu niedriger Temperaturen) aber bei höheren Temperaturen um die -260 bis 270°C ein, zum Teil kann er auch weitaus früher eintreten.

SPIRITus-96 schrieb:

@Ahab
Ohmsches Gesetz - wie der Name sagt, gilt auch nur für ohmsche Widerstände, also lineare Widerstände. Bei Halbleitern, die kein lineares Verhalten haben, kannst du das Ohmsche Gesetzt knicken.

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ja stimmt, hast recht.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

XHotSniperX schrieb:

Noch eine wichtige Frage:

Wieso wird der Widerstand erhöht, wenn die Temperatur oder der Takt steigt? Was genau ist da überhaupt der Widerstand? Wäre sehr gut, wenn ihr nicht gerade die schlimmsten Fachausdrücke benutzt, da ich nicht ein CPU Wissenschaftler bin.

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das liegt an der Bewegung der Elektronen im Leiter. Je höher die Temperatur, desto höher die Teilchenbewegung. Und wenn sich die Teilchen schneller bewegen, kommt es zu mehr Kollisionen, wodurch der Teilchendurchsatz verringert, und dadurch der bereits vorhandene Innenwiderstand erhöht wird.

Sorry wegen Doppelpost

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Ahab schrieb:

Sie laufen wirklich im bereich von -180°.

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Kann ich mir nicht vorstellen. Wie soll man eine CPU im Betrieb außerhalb eines Labors so weit runter kühlen, und viel mehr noch, solche Temperatur überhaupt messen.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Tag

-180°C ist kein grosses Problem. Stickstoff wird bei ca. -193°C flüssig, passene Kühler gibt's heutzutage zu kaufen (z.B. von Koolance), sind aber nicht für den Dauerbetrieb geeignet. Das mit dem Messen ist aber so eine Sache. Nicht dass es grundsätzlich schwirig wäre, nur sind die Sensoren in den CPUs nicht für diesen Temperaturbereich linearisiert.

Gruss

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Ahab schrieb:

das liegt an der Bewegung der Elektronen im Leiter. Je höher die Temperatur, desto höher die Teilchenbewegung. Und wenn sich die Teilchen schneller bewegen, kommt es zu mehr Kollisionen, wodurch der Teilchendurchsatz verringert, und dadurch der bereits vorhandene Innenwiderstand erhöht wird.

Sorry wegen Doppelpost

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ahaaaaa... ok vielen dank... jetzt weiss ich auch noch genau was mit dem widerstand gemeint ist. soo jetzt ist schon mal einiges deutlicher für mich geworden. das wesentliche ist ja eben, dass ich es verstehe und nicht dass ich es einfach abschreibe...

ich danke euch nochmals. bin echt erstaunt, wieviel hier sofort helfen. top forum!


Edit:

Noch was zum Schluss:

Von wem und wie werden die Schaltungen bei den Transistoren kontrolliert? Also damit ein Transistor geschlossen und leitend ist muss ja eine gewisse Spannung über den Emitter und die Basis herrschen, so dass die Elektronen durch die Basis hindruch kommen?

Oder besser gesagt, wo muss eine gewisse Spannung herrschen, damit die Elektronen vom Emitter über die Basis zum Kollektor hindurchfliessen können. Was passiert also in der Basis und wie siehts da aus, wenn die Basis leitend ist und wie, wenn sie blockiert. Das sind ja diese 2 Stellungen des Transistors.

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

Zuersteinmal möchte ich mich für die enorme Vereinfachung schonmal entschuldigen

...Nochmal kurz zu Frage 3: Die logischen Schaltungen in einer CPU sind durch Flip-Flops (FF) unterteilt. Das Prinzip nennt sich Pipelining. Die Logik zwischen den FF besteht aus sehr vielen Gattern, die unabhängig von den FF "schalten" (arbeiten ). Nun zur Funktion der FF: Nur die FF sind mit der Clock Lane verbunden und geben nur bei z.B. einer positiven Clockflanke den Input an den Output weiter. Bei einem Hz Takt gibt also jeder FF einmal pro Sekunde das Signal vom Input ans Output weiter. Je weniger Logik zwischen den FF ist, desto schneller kann die Pipeline getaktet werden, allerdings wird dann pro Taktzyklus auch weniger "Arbeit" verrichtet.
Die Taktfrequenz einer CPU sagt also allein recht wenig über die Geschwindigkeit aus, es kommt genauso auf die Architektur, also die "pro-Takt-Leistung" an (Bsp: C2D mit 2GHz schneller als ein P4 mit 3Ghz)

....zu den anderen beiden Fragen: Ein Transistor kann bei kälterer Temperatur sowie höherer Spannung einfach schneller seinen Zustand wechseln (jmd. hatte das vorher mit steileren Flanken erklärt, genauso ist es ). Wenn die Logik also weniger Zeit braucht, kann man die Frequenz erhöhen, weil das Ergebnis früher am FF anliegt.

MfG Julian

AW: Warum braucht eine CPU mehr Spannung für höheren Takt? Arbeit für die Schule

ja genau das mit den flanken möchte ich noch verstehen... ich verstehe leider nicht viel von steileren flanken. Meint ihr mit den Flanken irgendwie die Elektronen Löcher oder wie?