Ich bin mir nicht sicher, warum dies nicht das erste war, worauf in einer der früheren Antworten hingewiesen wurde, aber weil Transistoren kleiner gemacht werden, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, die Dichte zu erhöhen und den Stromverbrauch zu senken, ist dies die Gateoxidschicht dünner gemacht (was auch die Leckströme erhöht).

Eine dünne Gateoxidschicht kann sehr hohen Spannungen nicht standhalten, sodass Sie ein Gerät erhalten, das nur bei sehr niedrigen Spannungen arbeitet. Dünne Oxidschichten haben auch mehr Leckage, so dass Sie sowieso keine Hochspannung wollen, da dies nur den Leckstrom erhöhen und den statischen Stromverbrauch erhöhen würde.

Ihr Fehler ist folgender:

Bei der Datenverarbeitung geht es im Gegensatz zu Stromversorgungssystemen nicht um die Stromversorgung. Es geht um Datenverarbeitung. Es ist also nicht so, dass Designer wählen , um bei niedrigen Spannungen und hohen Strömen zu arbeiten, was gegen \ $ I ^ 2R \ $ span> verstößt. Ja, sie sind besorgt über den Stromverbrauch und die Wärme aufgrund von Verlusten, aber sie sind nicht besorgt über die effiziente Lieferung von Strom. Ein Energieentwickler muss X Leistung liefern und würde die Spannung erhöhen, damit er den Strom verringern kann, während er dieselbe Leistung liefert. Ein digitaler Designer würde die "Ausgangsleistung" direkt verringern, wenn er könnte.

Ihre Optimierungen erfordern niedrige Betriebsspannungen, was zu hohen Leckströmen führt. Das Ziel dieser Optimierungen ist es, kleinere Transistoren zuzulassen, damit Sie mehr davon einpacken und schneller schalten können. Wenn Millionen und Abermillionen von Transistoren sehr häufig schalten, führt dies zu einem hohen Laden / Entladen der Gate-Kapazitäten. Dieser dynamische Strom führt zu hohen Spitzenströmen, die in der digitalen Hochgeschwindigkeitslogik mit hoher Dichte mehrere zehn Ampere betragen können. Sie können sehen, dass all dieser Strom und diese Leistung unerwünscht und unbeabsichtigt sind.

Idealerweise möchten wir wirklich überhaupt keinen Strom, weil unser Anliegen Information ist, nicht Energie / Energie.Hohe Spannungen wären auch gut für die Störfestigkeit, aber dies läuft direkt der Verkleinerung von Transistoren entgegen.

Die zum Umschalten einer Kapazität von logisch 0 auf logisch 1 (oder umgekehrt) erforderliche Leistung ist proportional zur Taktfrequenz multipliziert mit der Versorgungsspannung squared.In digitalen CMOS-Schaltungen sehen die Logikgattereingänge wie Kondensatoren aus, sodass das Laden und Entladen von Kapazitäten den größten Teil der Leistung in diesen Schaltungen verbraucht.

Wie Sie bereits erwähnt haben, steigen die \ $ I ^ 2R \ $ span> -Verluste in Leitern, sodass die Niederspannungsnetzteile so nahe wie möglich an der Leiter platziert werdenProzessor.Wenn Sie sich ein modernes Motherboard ansehen, sehen Sie einen 12-V-Anschluss ganz in der Nähe der CPU.Sie werden auch mehrere große Induktivitäten und Kondensatoren sehen ... diese sind für die Niederspannungs-Schaltnetzteile.

Zusätzlich zu Elliots Punkt über die Leistung, die zum Laden der winzigen Kapazitäten erforderlich ist, die jedem Transistor in einer GPU oder Hochleistungs-CPU zugeordnet sind. Betrachten Sie die Größe jedes Transistors.

In den frühen 1980er Jahren machten sich die Leute keine großen Sorgen um den elektrostatischen Schutz, aber ich begann zu achten, als ich zum ersten Mal auf einen Transistor mit einer Gate-Isolationsbreite von 1 Mikron stieß (1982). Es ist die elektrische Feldstärke (Volt / Meter), nicht nur die Spannung, die einen Hochspannungsausfall verursacht.

Sie können eine Menge V / m über einen Mikrometer erreichen.

Jetzt sind die minimalen Strukturgrößen um einige Größenordnungen kleiner. Wenn Sie also die winzigen Transistoren in der Kernlogik einer CPU an die herkömmliche 5-V-Versorgung anschließen, werden sie einfach zerstört.

E / A-Transistoren wurden übergroß und besonders robust gebaut, und Chips verwendeten separate Versorgungsschienen für die E / A-Verbindungen. Aber auch diese können zunehmend nur 3,3 V oder sogar bis zu 1,8 V tolerieren. In FPGAs sind so gut wie nur Geräte mit Hinterkante noch 5 V tolerant.

Die vielen Transistoren in einem IC sind mit der VCC- und der Erdungsleitung verbunden, nicht miteinander. Sie teilen sich also sozusagen keine Spannungen wie in Reihe (was für CMOS nicht sinnvoll ist) stützt sich auf die Wiederherstellung der Logik des Stroms, der von einer starken VCC-Quelle fließt und nicht über einige Millionen Transistoren verkettet ist.

CMOS-Blöcke sind alle mit demselben VCC verbunden, sodass sie bei gleicher Spannung mehr Strom aufnehmen - als wären sie parallel. Da die Transistoren nur 1 V benötigen, benötigen Sie nur 1 V. Es gibt jedoch billions von Transistoren - und Sie müssen Strom für jeden einzelnen von ihnen liefern. Aus diesem Grund verfügen Sie über ein starkes Netzteil und Entkopplungskondensatoren, um in Zeiten der Not etwa 100 A Strom zu liefern (kurz gesagt, die Stromleitungen können als Induktor fungieren, und wenn sich die Milliarden Transistoren gleichzeitig einschalten, benötigen sie ein RIESIGES Stromstoß - Entkopplungskondensatoren sorgen dafür, wenn der Draht immer noch dem großen Stromstoß entgegenwirkt.

Deshalb benötigen Sie viel Strom, aber eine kleine Spannung.

BEARBEITEN:

Um die Stromübertragungsleitungen zu ergänzen, ist es wahr, dass der niedrigere Strom zu einem geringeren Verlust führt, aber dies sind Wechselstromleitungen, und Sie können einen Transformator verwenden, um ihn in eine niedrigere Spannung mit einem höheren Strom umzuwandeln (dh wenn die Stromleitungen in eine Stadt kommen und die Häuser brauchen 230V und nicht ein paar Kilovolt). Das ist hier ein ziemlich anderes Konzept, da ICs nur DC verwenden. Ich glaube, Ihre zugrunde liegende Frage betraf die Verwendung von Hochstrom in ICs und nicht unbedingt die Fähigkeit des IC, zwischen Hoch- / Niederspannung und Strom umzuwandeln. Ich kann Ihre Verwirrung zwischen den Themen jedoch definitiv verstehen - ich hoffe, meine Antwort hat es erklärt.

Ich werde Ihnen meine Antwort geben, die auf der digitalen Logik 101 basiert, die ich vor vielen Jahren genommen habe.Der Leistungsverlust in einer getakteten integrierten Schaltung wird durch diese Formel angegeben:

P = V ^ 2 * C * F

Wobei P die Leistung ist, C die Kapazität ist, V die Spannung (VCC) ist und F die Taktfrequenz ist.

Aus diesem Grund werden leistungshungrige Chips optimiert, um VCC zu minimieren.Wenn sie ein höheres V verwenden würden, würden sie noch mehr Strom verbrauchen.

Beachten Sie, dass C die Prozesskapazität für die Geometrie auf Transistorebene und die Art der verwendeten Herstellung ist.

Meine Antwort ähnelt der ausgezeichneten von DKNguyen, aber ich werde sie anders formulieren.

Erstens sind in einer integrierten Schaltung Spannung und Strom unabhängig. Idealerweise möchten Sie, dass beide so niedrig wie möglich sind. Aber wie immer im Engineering gibt es Designkonflikte, die Sie zu Kompromissen zwingen.

Betrachten wir also Spannung und Strom getrennt.

Spannung

Es gibt einige Punkte für die Verwendung einer hohen (er) Spannung und einige für eine niedrigere Spannung. Die ursprüngliche TTL-Logik (wie die meisten Chips, die im Apple von 1977 verwendet wurden) [Computer außerhalb der CPU selbst) lief mit 5 Volt. Die TTL-Logik ist immer noch allgegenwärtig. Sie können immer noch die meisten der Chips kaufen, die Steve Wozniak in den 1970er Jahren verwendet hat. In Festnetztelefonsystemen werden bei den Wählimpulsen (die eigentlich nur digitale Bits sind, wenn Sie darüber nachdenken) bis zu 48 V verwendet.

Heute sinken Sie auf 1 Volt.

Vorteile für Hochspannung

Zuverlässigkeit. Wenn Sie einen Stromkreis mit schlechter Qualität haben (z. B. ein 7 Meilen dünnes Kupfer-Telefonkabel), ist es viel einfacher, den Unterschied zwischen 48 V und 0 zuverlässig zu erkennen, aber es ist fast unmöglich, 1 V von 0 V zu unterscheiden. Grundsätzlich funktioniert Hochspannung "einfach", egal was passiert.

Das ist so ziemlich alles. In den heutigen hochintegrierten Schaltkreisen, bei denen es sich wirklich um Instrumente mit extremer Präzision handelt, und mit mehr als 50 Jahren Erfahrung in der Herstellung, um diese Präzision zu erreichen, benötigen Sie diese Art von Robustheit nicht, sodass niedrigere Spannungen genauso gut funktionieren.

Bearbeiten: Wie Peter Cordes betonte, hat eine höhere Spannung einen zweiten Vorteil. Dies kann eine höhere Geschwindigkeit ermöglichen, da die Spannung schneller die Schwelle einer zuverlässigen Erkennung erreicht. Ich hoffe, ich habe das richtig umschrieben.

Vorteile für eine niedrige Spannung

• Geringer Energieverbrauch, was zu einer längeren Akkulaufzeit und einer geringeren Wärmeabgabe führt. Bearbeiten: Peter Cordes wies darauf hin, dass ein geringerer Stromverbrauch auch dazu führt, dass der Chip einfach nicht schmilzt. Das ist ein sehr reales Problem. Einige CPUs explodieren innerhalb weniger Sekunden, wenn Sie vergessen, einen Kühlkörper anzulegen.
• Höhere Geschwindigkeit. Es müssen einfach weniger Elektronen herumgemischt werden (obwohl dies technisch eher von der Ladung als von der Spannung abhängt, sind diese beiden in praktischer Hinsicht miteinander verbunden).
• Sie können dünnere Isolatoren verwenden, ohne sich Gedanken über den Stromdurchbruch machen zu müssen. Das bedeutet dünnere Isolatoren. Ausnahme: Floating-Gate-Transistoren sind für das Durchbrechen eines Isolators ausgelegt. Aus diesem Grund benötigt das Schreiben und Löschen des Flash-Speichers eine hohe Spannung.

Wenn Sie also von einer Computerschaltung sprechen, gewinnt die Niederspannung eindeutig.

Aktuell

Schauen wir uns jetzt den aktuellen Stand an. Wie DKNguyen bereits betont hat, möchten Designer auch den Strom so niedrig wie möglich halten, um zum Teil die Wärme zu reduzieren und zum Teil die Akkulaufzeit in Smartphones usw. zu verlängern.

Aber um zu verstehen, was los ist, sollten Sie sich die 100A oder was auch immer nicht ansehen. Dies kann ein Durchschnitt sein oder eher ein Durchschnitt, wenn eine hohe Grafiklast vorliegt.

Wenn Ihre Grafikkarte vollkommen inaktiv wäre (was niemals der Fall ist, nicht einmal in der Nähe!), würde der Strom tatsächlich nahe bei 0 A liegen. Die Transistoren in Mikrochips sind (etwas vereinfacht ausgedrückt) normalerweise als CMOS-Transistorpaare in Reihe angeordnet, wobei sich immer einer im "Ein" -Modus und der andere im "Aus" -Modus befindet. Theoretisch kann also niemals Strom fließen. In der Praxis gibt es, wenn die Transistoren für eine sehr kurze Zeit schalten, normalerweise eine sehr kurze Zeitspanne (gemessen in Pikosekunden), in der beide "eingeschaltet" sind - im Grunde genommen ein Kurzschluss. Diese Umschaltung erfolgt milliardenfach pro Sekunde (meistens abhängig von der Taktfrequenz der GPU) und in einigen Tausend bis Millionen Transistoren gleichzeitig, je nachdem, wie aktiv Ihre GPU ist. Ihre 100A sind also eigentlich keine konstanten 100A, sondern eine Reihe von fast 0A, gefolgt von extrem kurzen Spitzen von möglicherweise sogar viel mehr als 100A.

Bearbeiten: Peter Cordes wies auch darauf hin, dass die 0A in erster Linie eine Idealisierung ist. Durch die Transistoren und so ziemlich überall auf dem Chip tritt viel parasitärer Strom aus.

Es gibt ein zweites Problem mit der aktuellen. Viele Komponenten (wie die Bits im dynamischen RAM) in einem Chip wirken als Kondensatoren (sie sind tatsächlich Transistoren, die als Kondensatoren verdrahtet sind). Das Schreiben von Nullen oder Einsen in solche Kondensatoren bedeutet das Speichern oder Entfernen von Elektronen aus den Kondensatoren. Je höher der Strom (und je kleiner die Ladung), desto weniger Zeit wird benötigt. Bearbeiten: Wie Peter Cordes betonte, gibt es neben den absichtlich in der Schaltung befindlichen Kondensatoren überall eine Menge zusätzlicher Kapazität (z. B. weil Komponenten oder Verkabelungen nur benachbart sind), was ebenfalls zum gleichen Problem beiträgt.

Um den Strom zu reduzieren, haben Designer einige Optionen:

• Geschwindigkeit reduzieren. Dies reduziert die Anzahl der Schaltvorgänge (und damit die Stromspitzen) und ermöglicht auch das Laden oder Entladen der Kondensatoren mit einer geringeren Rate.
• Schalten Sie Teile der Schaltung aus, die derzeit nicht verwendet werden.Dies geschieht wiederum im Schlafmodus.
• Reduzieren Sie die Zeit, in der beide Transistoren eines Paares eingeschaltet sind, damit die Spitzen kürzer sind.
• Verringern Sie die Spannung.Nach dem Ohmschen Gesetz führen niedrigere Spannungen zu niedrigeren Strömen.

Die ersten beiden werden meistens im Ruhemodus und auch dann ausgeführt, wenn ein Computer überhitzt.Bekanntlich hat Apple auch einmal seine iPhones verlangsamt, um den Stromverbrauch zu senken, als die Batterien alt wurden.

Verluste

Sie haben auch hohe Verluste in Stromleitungen erwähnt (wo die Spannungen hoch und die Ströme niedrig sind).Das ist eine ganz andere Situation.In einem Computer betragen die Verluste immer 100%;Fast der gesamte Strom wird in Wärme umgewandelt (mit Ausnahme einiger weniger, die in Licht, Funkenergie für WLAN oder dergleichen umgewandelt werden).

Das Ziel ist also nicht, Verluste zu reduzieren, sondern die Gesamtleistung zu reduzieren.

1. Transistoren mit höherer Spannung unterbrechen.
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Moderne Transistoren sind winzig und können Hochspannungen nicht standhalten. Je kleiner wir sie machen, desto niedriger muss die Spannung sein, um zu verhindern, dass Elektronen zwischen Spuren springen und das Gerät zerstören. Historisch gesehen waren es 5 V, dann ging es in der aktuellen Ausrüstung auf ~ 1 V zurück. Denken Sie an Drahtisolierung - Drähte mit einer Nennspannung von 10 kV haben eine erheblich dickere Beschichtung als Drähte, die Sie in Spielzeug finden.

2. Transistoren verbrauchen viel Strom (Ampere), weil es viel davon gibt. Erwarten Sie 10 Milliarden in modernen Geräten (1 000 000 000).
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Andere Antworten befassen sich mit Details, warum das so ist.

3. Energieeffizienz
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Wie Sie selbst bemerkt haben, wäre es vorteilhaft, 1A bei 100 V zu senden, als 100A bei 1 V zu senden.
Tatsächlich machen Hersteller dies bereits!

CPU- und Grafikkarten verfügen häufig über dedizierte 12-V-Anschlüsse und werden erst unmittelbar vor dem Einschalten in den Prozessor in ~ 1 V konvertiert. Sie können eine Reihe von Kondensatoren und Wandlern um den Prozessor herum sehen (Runden und Kastenstücke, oft mit eigenem Kühlkörper). Sie wären überrascht, wie viel Strom dort fließt (100 Ampere) und wie viele Prozessor-Beine ausschließlich für die Stromversorgung vorgesehen sind.