Джерелом енергії Сонця є термоядерні реакції синтезу, що відбуваються в його ядрі. У центральній області радіусом приблизно чверть сонячного радіуса температура сягає близько 15 мільйонів кельвінів, а тиск — сотень мільярдів атмосфер. Саме тут протони зливаються в ядра гелію, вивільняючи енергію, яка зрештою доходить до Землі у вигляді світла й тепла.
Проте об’ємна щільність цієї енергії виявляється напрочуд невисокою. За розрахунками стандартної моделі Сонця, у самому центрі вона становить 276,5 Вт/м³. Якщо ж усереднити по всьому об’єму ядра, значення зменшується до 66,45 Вт/м³.
Для порівняння, це приблизно відповідає тепловиділенню добре розігрітої компостної купи або обміну речовин великої рептилії. Людина в стані спокою виробляє тепла на одиницю об’єму приблизно у 1,5–2 рази більше. А експериментальні термоядерні установки на кшталт ITER мають вийти на щільність потужності, що в мільйони разів перевищує сонячну.
Водночас загальна світність Сонця колосальна — близько 3,8 × 10²⁶ Вт. Такий сумарний вихід енергії пояснюється не високою інтенсивністю реакцій, а гігантськими масштабами: діаметр ядра становить приблизно 350 000 км. Навіть відносно скромна потужність у кілька сотень ватів на кубічний метр, помножена на такий величезний об’єм, дає вражаючий результат. Вивільнена енергія дуже повільно просувається назовні протягом тисячоліть, багаторазово поглинаючись і перевипромінюючись, перш ніж залишити поверхню Сонця.
Зовсім інша картина спостерігається в сучасних мікропроцесорах.
Щільність тепловиділення в кремнієвих чипах зазвичай лежить у межах 100–500 Вт/см³, а в режимах розгону чи максимального турбоприскорення може перевищувати 1000 Вт/см³. У перерахунку на кубічні метри це становить 10⁸ – 5×10⁸ Вт/м³, а в екстремальних випадках — до 10⁹ Вт/м³. Отже, локальна щільність потужності в процесорі приблизно в мільйон разів вища, ніж у центрі Сонця, і в кілька мільйонів разів перевищує середнє значення для сонячного ядра.
Звідки ж береться така екстремальна концентрація енергії в крихітному об’ємі кремнію площею лише кілька квадратних сантиметрів?
В основі сучасних процесорів лежить КМОН-логіка (CMOS). На відміну від біполярних чи резистивних схем, КМОН-транзистори в статичному стані майже не споживають енергії: вони перебувають або в повністю відкритому, або в повністю закритому стані, а струм витоку залишається дуже малим.
Однак динамічне тепловиділення виникає через паразитну електричну ємність транзисторів і з’єднувальних провідників. Під час кожного перемикання логічного елемента цю ємність потрібно зарядити (при переході 0 → 1) або розрядити (при переході 1 → 0). Кожен такий цикл супроводжується перенесенням заряду, який зрештою розсіюється у вигляді тепла.
Потужність динамічних втрат описується виразом:
P ≈ ½ C V² f
де
- C — сумарна ємність усіх вузлів чипа, що перемикаються;
- V — напруга живлення;
- f — тактова частота.
Є й ще один важливий момент: максимальна робоча частота КМОН-схем також зростає приблизно пропорційно напрузі живлення. Оскільки потужність уже пропорційна V²f, а частота f ∝ V, то зі збільшенням напруги загальна динамічна потужність зростає приблизно як V³ — тобто фактично як куб максимальної частоти.
Саме цей ефект і створює своєрідну «потрійну спіраль» зростання енергоспоживання, коли ми намагаємося підвищити продуктивність.
Сучасні процесори лише підсилюють цю тенденцію завдяки масштабу інтеграції: на одному кристалі розміщуються мільярди транзисторів, десятки й сотні ядер, великі обсяги кеш-пам’яті — десятки або навіть сотні мегабайт — і все це працює на частотах у кілька гігагерців. Кожен додатковий транзистор, кожне нове ядро і кожне підвищення частоти додають свою частку до загального тепловиділення.
У підсумку повна споживана потужність чипа досягає сотень ватів, і вся ця енергія виділяється в надзвичайно малому об’ємі. Саме тому щільність тепловиділення тут така велика. Якби таку саму потужність довелося розсіювати в об’ємі, співмірному з цеглиною, задача охолодження стала б майже нерозв’язною.
Отже, екстремальна щільність тепловиділення в процесорах є прямим наслідком поєднання високої тактової частоти, значної паразитної ємності, квадратичної залежності потужності від напруги та надзвичайно високого рівня інтеграції в дуже обмеженому фізичному об’ємі.
