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舊 2005-10-16, 01:36 PM   #12 (permalink)
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因此其動態功耗的增長率近似為CPU總功耗的增長率。


也就是說假設原來的CPU額定功率僅為60W,經加壓超頻後此時也將達到近95W ! 如果不更換更好的散熱設備,將不可避免的引起CPU工作溫度的上升。




當處理器溫度超過最大允許值,輕則無法正常工作,嚴重則導致CPU燒燬。

超頻後果二:電遷徙

在前些年在提及超頻後果的時候,經常會提起電遷徙(有人稱為電子移轉)造成的危害。


在半導體製造業中,最早的互連金屬是鋁,而且 現在它也是硅片製造業中最普通的互連金屬。然而鋁有著眾所周知的由電遷徙引起的可靠性問題。

由於傳輸電流的電子將動量轉移,會引起鋁原子在導體中發生位移。


在大電流密度的情況下,電子不斷對鋁原子進行衝擊,造成鋁原子逐漸移動而造成導體自身的不斷損耗。


在導體中,當過多的鋁原子被衝擊脫離原來的位置,在相應的位置就會產生坑窪和空洞。


輕則造成某部分導線變細變薄而電阻增大,嚴重的會引起斷路。



而在導線的另一些部分則會產生鋁原子堆積,形成一些小丘,如果堆積過多會造成導線於相鄰導線之間發生連接,引起短路。




不論整合電路內部斷路還是短路,其後果都是災難性的。電遷徙或許是整合電路中最廣泛研究的 失效機制問題之一。

電遷徙造成導線損耗

超頻的結果會使通過導線的電流增大,引起的功耗增加也會使晶片溫度上升。


而電流和溫度的增加都會使晶片更容易產生電遷徙,從而對 整合電路造成不可逆的損傷。


因此長期過度超頻可能會造成CPU的永久報廢。

曾經有人這樣反映:CPU超頻到某個頻率後,經過近一年的使用一直都很穩定。


但是後來有一天就發現了CPU已經無法在這個頻率上繼續穩定工作。



造成這種現象的原因,很可能是過度超頻而散熱措施不好,儘管CPU體質不錯,在較高的溫度下也能超到一個較高的頻率。



但是惡劣的工作環境和超負荷的工作讓CPU內部發生嚴重的電遷徙。



雖然沒有造成短路或者斷路,但是導線已經嚴重受到損傷,導線電阻R增大,最終引起布線延時RC(和布線電阻和布線電容有關)增加,導致時序錯亂影響CPU正常工作。

一方面CPU整合的晶體管密度的不斷提升,造成晶片中的導線密度不斷增加,導線寬度和間距不斷減小;另一方面CPU頻率不斷提升,功率逐漸加大而電壓卻在減小。




CPU 運作需要更細的導線去承載更大的電流,鋁互連的套用日益受到挑戰。



因此更低電阻的銅互連將在整合電路的設計和製造中逐步取代原有 的鋁工藝。

很重要的一點是,銅具有良好的抗電遷徙的特性,幾乎不需要考慮電遷徙問題。


而目前市面上出售的CPU基本都已採用銅互連工藝。在AMD的Athlon(Thunderbird核心)和Intel的P4(NorthWood核心)發佈以後的CPU都採用了銅互連技術,因此大多數人可以不必再為電遷徙而過於擔心。

超頻後果三:信號變差

前面說過,CPU是信號處理器,主要功能是對數位信號進行處理,其主要工作單元為由晶體管組成的門電路。



下圖是CMOS整合電路中的一個最基本電路——反相器,其它複雜的CMOS整合電路大多是由反相器單元組合而成。

理論上,CMOS門電路輸出的數位信號(也是下一級門電路的輸入信號)理想波形的上、下沿都是嚴格垂直的,從高電平跳變到低電平是突變的,不需要時間。

但是,實際上任何實物整合電路最終的效能都不可能完全達到理論指標。CMOS門電路輸出波形也不是嚴格理論上的」方波」,在電壓跳變的程序中,不但輸出電壓不是嚴格垂直,而且還需要耗費一定的時間。

Δt是指從高電平到低電平所需要的時間。這是因為CMOS 門電路中幾乎無處不在的寄生電容和寄生電阻。



而電容器件最重要的一個特性就是,不允許電容器兩端的電壓突變,而必須有個上升或者 下降的程序。


只要有寄生電容的存在,Δt的存在就不可避免。通常,寄生電容的主要有以下幾種:1)作為輸出的晶體管的結電容;2)作為上級負載的下一級輸入的晶體管的結電容;3)傳輸導線之間和晶體管之間的電容。

寄生電阻和寄生電容越小,高低電平的轉換時間Δt 在整個信號中佔據的百分比越小,實際輸出的波形也就越接近於理想波形,整合電路的電氣效能就更優秀。



它們只能通過製造工藝的提高 去減小,而不可能完全消失。高k柵介質(High K gate Dielectric)、SOI工藝絕緣體上硅晶片技術(Silicon On Insulator)、「Low-k」低介電常數絕緣體技術等技術都是為了減小CPU中寄生電容採用的方法,而銅互連則有效減小了CPU 中寄生電阻。






然而不容樂觀的是,隨著整合密度的提高,線寬越來越窄,導線之間和晶體管之間的距離越來越近,晶體管柵極層厚度越來 越薄,這幾年CPU寄生電容和電阻的增加已經成為CPU製造技術中最難又最亟待解決的問題。

超頻的CPU會使信號波形變的更差。因為CPU成品以後,其電容和電阻值都為常數,晶體管的各項參數也已經固定。



在信號電壓值不變的情況下, 信號高低電平的跳變所需要的時間也不變。




但是頻率的提高會使信號寬度 (佔用的時間)變短,最終造成波形進一步惡化。

可以看見,超頻以後的信號更加「非理想化」,電平電壓不變的時間ΔT 逐漸減小,給信號的辨認造成困難。


當頻率增加過高.門電路還未達到最高電平和最低電平的電壓要求值就開始「跳變」。



波形嚴重失真 ,並且可能造成信號達不到下一級門電路的觸發電壓而使整個CPU無法工作。



通常,這種過度超頻會造成電腦根本無法啟動、無顯示等故障。

超頻後果四:抗干擾能力減弱

對於大多數超頻使用者來說,會有一個理智超頻的程序,所以很少會超頻到電腦無法啟動或者無顯示,更一般的超頻後果是造成系統不穩定 。



CPU在工作程序中當機,重新啟動,或者運算出現錯誤等等都是不穩定的表現。

既然能夠開機工作,說明至少信號波形還沒有達到下級電路無法識別的地步,為什麼不能夠穩定執行呢?

這就牽扯到抗干擾能力的問題。

如果CPU在超頻以後能夠順利啟動,如果在沒有外界的干擾,那麼做好散熱以後,它就能穩定工作。但是CPU是工作在一個不斷變化的環境中,有很多來自於外界電子噪聲的影響。
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