Woher kommen die Fehler beim Übertakten der CPU?

[darealsuzi]

Hallo zusammen.

Mich würde mal interessieren, woher die Rechenfehler beim zu eifrigen Übertakten der CPU kommen.

Meine eigene Vermutung ist bislang, dass es sich um lokale Temperaturen im Halbleiter handelt, die das thermische Rauschen so hoch treiben, dass die Spannungsdifferenz, die ein Bit kennzeichnet, nicht mehr eindeutig ist und auch "falsch" weitergereicht werden kann.

Das ist aber eben nur eine Vermutung. Vielleicht sind es ja auch einfach Spannungseinbrüche durch zu große Widerstände.

Weiß jemand konkretes?


Thomas

 

[florian.]

ich würde sagen das liegt daran das die Schaltgeschwindigkeit zu klein ist.
mit mehr Spannung versucht man die Schaltgeschwindigkeit hoch zu setzen. was aber nur bedingt funktioniert.

soll heißen wenn die Ergebnisse schon längst da sein sollten aber die Bauteile sie noch nicht liefern können gibt es "Rechenfehler"

 

[Playsi]

Ich würd sagen, dass liegt hauptsächlich an den Kapazitäten der CMOS im Chip. Wenn die Frequenz zu hoch wird dann reißt der Gatestrom allmählich ab und man erhält undefinierte Zwischenzustände der Spannung. Sprich der befindet sich dann nicht richtig in Sättigung. Daher ein undefinierter Zustand - > Rechenfehler.
Wenn mann allerdings die Spannung erhöht dann kann man den Gatestrom wieder stabilisien. Für dann aber zu höheren Strömen -> mehr Wärme.
Ist jetzt nur mal so ein Gedankengang von mir. Daher keine Garantie auf Richtigkeit.

 

[darealsuzi]

das mit den kapazitäten wäre auch einleuchtend und ein argument dafür, dass die chips mit 45nm-strukturen, also kleineren kapazitäten, höhere frequenzen bei gleicher spannung bzw. gleiche frequenzen bei weniger spannung bewältigen (dem ist doch so ?).
in erster näherung würde ich sagen, dass kapaziät und widerstand beide linear mit der strukturgröße gehen.

so wie ich es verstehe, liegt der grund für die mit starker kühlung steigende übertaktbarkeit der prozessoren in der absenkung des elektronischen rauschens und damit des elektrischen widerstandes. also mehr strom bei gleicher spannung.
das verminderte elektronische rauschen würde auch das rauschen der spannung, von dem ich im ersten post geschrieben habe, reduzieren, allerdings tendiere ich nun dazu diesen effekt kleiner als den des reinen leitungswiderstandes zu bemessen.

also ich tendiere nun auch zu widerstand R(T) und kapazität C als übeltätern.

weitere meinungen oder erklärungen?

 

[|MELVIN|]

sagt mir bitte, dass ihr elektrotechnik studiert oder eine lehre in die richtung macht, sonst komme ich mir jetzt echt dumm vor!

 

[ZomBy7]

stokes83: Denk dir nichts hab auch kein Durchblick

Könntet ihr das für wenig schlaue auch erklären Thx

 

[aperacer]

Also cmos chips sind in einen Prozessor sicher keinen drin das basiert alles auf TTL also Transistor-Transistor-Logik. CMOS wäre für einen Prozessor viel zu langsam also verwendet man TTLs das erklärt auch den hohen Strombedarf und die Abwärme. Die Rechenfehler kommen vom gleichen Storch der auch die Kinder bringt ;-P Scherz beiseite die entstehen durch zu hohe Schaltgeschwindigkeiten bis ein Transistor nicht mehr schnell genug ist um das an ihn gesendete Signal zu verarbeiten.

 

[Telya]

Bin fachlich nicht so bewandert, aber spielt nicht auch Elektronenmigration da mit rein?
Man kann ja bei der Verwendung einer Kompressorkühlung höhere Spannungen fahren, da die Eigenbewegung der Elektronen durch die Kälte reduziert wird!
Erhöhe ich den Takt der CPU, so werden mehr Arbeitsgänge verrichtet-> es fließen mehr Elektronen je Zeit -> durch deren Eigenbewegung steigt die Temperatur in Folge von Migration.
Der Strom behindert sich also bei zunehmenden Takt immer mehr selber! Es kommt also zu einer Absenkung des Stromflusses mit steigendem Takt.

(Ist ja so als wären die Elektronen Autos und du würdest versuchen auf ner Autobahn, wo alle nur 130 fahren können wegen starkem Gegenwind, 200 zu fahren, da dein Tempomat sich nicht ausschalten lässt.)(Tempomat=Spannung)

Durch eine Erhöhung des Vcores steigt dann jedoch wieder die Potenzialdifferenz zwischen den Gates, d.h. es kommt zu einer Stabilisierung des Stromflusses und es wird der Migration entgegengewirkt (unter erhöhter Wärmeabgabe)
(Die Autobahn wird wieder freier da die langsameren Fahrzeuge wieder schneller fahren können, da der Wind aufhört)
Das Elektron kann also wieder leichter vorwärtskommen und erreicht auch in der geforderten Zeit das Gate. Was er sonst durch die Migration der anderen Elektronen nicht schafft. (Recherfehler durch fehlende Information)

(wenn ich nen Fehler in der Logik habe bitte sagen - ich bin nur Maschinenbaustudent)

 

[darealsuzi]

grundsätzlich hast du schon recht. was du da beschrieben hast ist eine mögliche odellvorstellung zum elektronenfluss, der den strom bewirkt, und dem elektrischen widerstand.
es heißt allerdings eigentlich elektromigration und meint nicht die elektronenbewegung sondern die quasi ionen- also materialbewegung, die ein abtragen und damit eine zerstörung der strukturen bewirkt. dies ist allerdings ein eher langsamer prozess (bei moderaten spannungen). die elektronenmigration nennt man normalerweise schlichtweg strom.

ach so ...

es ging mir in diesem thread darum, zu ergründen, was denn letztendlich zum limit beim oc führt... mein ansatz waren dabei einfache elemente einer elektronischen schaltung, wie widerstand und kapazität. natürlich sind die schaltungen auf einem microprozessor durch halbleiterelemente in einem quasi-schwingenden system realisiert, so dass auch induktivitäten und damit scheinwiderstände etc. eine rolle spielen. aber letztendlich geht es darum, dass da eine spannung anliegt und mehr oder weniger strom fließt. fließt irgendwo nicht genug strom, kann sich an der nächsten "stelle" auch keine spannung aufbauen, da eine potentialdifferenz ladung braucht, um zu existieren. fließt also ein strom, iss nix mit ladung iss auch nix mit potentialdifferenz. und ganz einach gesagt definiert die potentialdifferenz mit ihrer größe die 1 oder die 0 (also das bit).

 

[Playsi]

...
Man kann ja bei der Verwendung einer Kompressorkühlung höhere Spannungen fahren, da die Eigenbewegung der Elektronen durch die Kälte reduziert wird!
...

Ich bin mir nicht so sicher ob man das so sagen kann.
Immerhin handelt es sich bei Halbleitern wie Silizium um Heißleiter.
Sprich: Je kälter desto schlechter leiten die.
Dabei rede ich jetzt nicht von einer Temperaturschwankung von +-10° K, eher +-100° K.
Deine Annahme gilt hauptsächlich bei Kupfer und anderen Metallen. Da kann man die Eigenbewegung der Elektronen tatsächlich durch Kälte reduzieren

 

[Likee]

und nun einmal für den depp (damit meine ich mich und will hier keinen beleidigen -.+ )
Wenn man es nun also schafft die temperatur niedrig zu halten passieren weniger fehler?

 

[the Interceptor]

Meine Kenntnis der Problematik stimmt mit der von Florian überein: die Schaltzeiten der Transistoren reichen irgendwann nicht mehr. Mit steigendem Takt flutschen die Daten immer schneller durch die CPU. Irgendwann reicht die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren aber einfach nicht mehr, um das anliegende Datum (Singular von Daten) zu verarbeiten. Es kommt zu Datenfehlern und zwangsläufig zum Absturz.

Die Erhöhung der Spannung führt zu geringeren Schaltzeiten und damit höherer Übertaktbarkeit, lässt aber gleichzeitig den Strom und damit die Verlustleistung ansteigen, was die CPU thermisch gefährdet. Besonders gute Kühlungen (Wasser / Kompressor) können die Wärmemengen aber so gut abführen, dass deutlich erhöhte Kernspannungen genutzt werden können und die Übertaktbarkeit des Prozessors daher deutlich besser ist als bei einer konventionellen Luftkühlung.

 

[Playsi]

@ Likee:
Also ich würd sagen, dass funktioniert eben drum nicht.
Die Bauteile auf dem Chip haben ja alle eine Art "Betriebstemperatur" bei der die am besten funktionieren und auch für entwickelt wurden.
Wenn die zu kalt sind passieren Fehler und wenn die zu heiß werden auch.
Wobei zu kalt sicherlich weniger gefährlich ist als zu heiß.
Durch höher Kühlleistung versucht man im Prinzip ja nur die Betriebstemperatur bei erhöhter Leistung zu halten.

 

[Likee]

schade ^^ sonst hätte ich da jetzt eine wakü draufgeklebt und ab zu den 4 ghz

 

[Tigereye1337]

hmmm habe gelesen das elektromigration quadratisch mit der spannung und expontel mit der temperatur (für mich fast das selbe) steigt, also je kühler je höher darfste die spanung setzet

 

[darealsuzi]

eigentlich wird auch im halbleiter, im klassischen modell (auch wenn halbleiter - klassisch ein paradoxon ist) der ohmsche widerstand mit sinkender temperatur kleiner. nur macht sich durch das thermische ruhigstellen der elektronen die bandlücke deutlicher bemerkbar.
im extremfall einer temperatur von wenigen kelvin heißt das, dass im metall die elektronen-leitung supergroß und im halbleiter superklein wird.
im fall hoher temperaturen oder besser großer lokaler thermischer energien (auf sehr kleinem raum im chip mit nur wenigen leitungselektronen wird es irgendwann schwer von temperatur zu sprechen) bei ausreichend vielen mobilisierten leitungselektronen verhält sich auch im halbleiter der widerstand wie ein ohmscher (was die temperaturabhängigkeit angeht)

dies bedeutet, dass es in der tat eine goldene temperatur-mitte gibt.
beim kühlen gilt es natürlich zu unterscheiden, ob man die wärme einfach nur abführt oder ob man die basistemperatur des chips (quasi wenn er aus ist) wirklich senkt. wobei im grunde genommen natürlich beides nur ein wärmeentzog ist.

deshalb bringt eine wasserkühlung ohne aktive kühlung (also unter raumtemperatur) gar nichts im vergleich zu einer guten luftkühlung, außer einer evtl. geringeren lautstärke.

 

[the Interceptor]

deshalb bringt eine wasserkühlung ohne aktive kühlung (also unter raumtemperatur) gar nichts im vergleich zu einer guten luftkühlung, außer einer evtl. geringeren lautstärke.

Naja, die wesentlich höhere Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Luft verleiht einer Wasserkühlung schon potentielle Vorteile. Sie erlaubt es, die abzuführende Wärme wesentlich effizienter aufzunehmen und an geeigneter Stelle wieder loszuwerden.

 

[darealsuzi]

naja gut, "gar nichts" ist vielleicht ein wenig zu stark und von mir subjektiv so gesehen, wenn ich die kosten bedenke. natürlich sind die gemessenen temperaturen mit einer guten wasserkühlung sichtbar unter denen einer guten handelsüblichen luftkühlung.

nur im zusammenhang mit den letzten posts kann man sagen, dass eine flüssigkeitskühlung nichts bringt, da man damit ohne aktive kühlung (absorber, kompressor, peltier, ln, etc.) nicht unter zimmertemperatur kommt und damit die lokalen hohen temperaturen im prozessor mehr oder weniger gleich hoch bleiben verglichen mit einer luftkühlung.