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為何超頻CPU溫度會上升

方便起見,分別為三個元件做個標記,上面的電晶體是PMOS,叫Qa,下面的是NMOS,叫Qb,右下角是由輸出點看進去的等效電容,叫C,X是輸入點,Y是輸出點


繼續瞭解這個電路前有幾件事先當已知,不然在沒有基礎電子元件的知識下很難解釋這個電路。首先就是MOS是一個三端元件,以NMOS為例


為了簡化,我以邏輯電路的觀點來看NMOS。首先是G端,也就是gate,可以想像成一個開關,當電壓為high,比如說3V,這個電晶體就會「導通」,讓電流從D端流到S端。當gate的電壓為low,比如說0V,電晶體就會關閉,沒有任何電流可以流過。而gate是無法導電的,所以只要把他想像成一個感受電壓變化的端點即可,真正有電流流經的只有D和S。

接著講一下PMOS



眼尖的人應該已經發現,PMOS的S和D端位置與NMOS剛好相反,沒錯!相反正是它們之間的關係!所有NMOS中的特性都可以套到PMOS上,只不過要「相反」。比如說,在PMOS,gate的電壓要low,電流才會從S流到D。當gate的電壓為higt的時候,電晶體就會關閉!小心與先前NMOS的敘述做比較,就可以發現它們之間「鏡相」的關係。
有了上述的簡單電子元件知識,回頭看反相器電路,在邏輯電路中MOS的畫法稍有不同,不過道理一樣,所以上面的是PMOS,下面的是NMOS

電路上端接到3V,下端接地所以0V,兩顆MOS的gate接在一起作為輸入X,並從NMOS和PMOS中間拉出一端作為輸出Y。輸出端有一個等效電容C。
現在假設輸入為low(0V),所以根據前述,此時NMOS關閉,PMOS打開,等效電路如下



因此有一個電流往下流過PMOS,到達輸出點時,他有兩個選擇,一個是流到NMOS回到地,一個是流到電容回到地,不過此時NMOS已經關閉,所以電流只能轉彎流到電容C,直到電容充電到3V(high)才停止。在此也可以發現,當輸入為low,輸出為high,剛好反相。




此時改變輸入,當輸入由low轉到high,NMOS會打開,PMOS關閉


這時C就好像一個3V的電池,正極朝上,負極朝下,經由NMOS剛好可以形成一個迴路,原來儲存在C中的電荷就經過Qb放電,直到0V為止。所以當輸入為high的時候,輸出為low,可以得知此電路確實為一反相器。



因此,當這個反相器操作的時候,就是不斷的對C充電,然後又讓他放電。想像當我們為電池充電的時候電池不是會放熱嗎?所以當我們把CPU的頻率往上拉,代表每秒對這個電容充放電的次數上升,發熱更多!


現在可以做兩個結論:
第一就是,當CPU的負載上升,某些在待機時關閉的電路就會重新開啟,並且對輸出端的等效電容做頻繁的充放電,所以溫度會比待機時高
第二,超頻後,就算在待機狀態下,那些依然暢通的邏輯電路也會因頻率上升後,使的每秒充放電次數上升,所以就算在待機下溫度也比原來高,如果負載上升,溫度就更高了!



下次有空再分享為什麼超頻加電壓比較好超、什麼是漏電流、以及製程影響最高頻率,只是不知道下次是多久以後了.....
 
 
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