Non sono sicuro del motivo per cui questa non è stata la prima cosa evidenziata da nessuna delle risposte precedenti, ma è perché poiché i transistor vengono resi più piccoli per aumentare la velocità, aumentare la densità e ridurre il consumo energetico, lo strato di ossido di gate è reso più sottile (che aumenta anche le correnti di dispersione).

Un sottile strato di ossido di gate non può resistere a tensioni molto elevate, quindi si finisce con un dispositivo che funziona solo a tensioni molto basse. Gli strati sottili di ossido hanno anche più perdite, quindi non vuoi comunque un alto voltaggio poiché ciò aumenterebbe solo la corrente di dispersione e aumenterebbe il consumo di energia statica.

Il tuo errore è questo:

L'elaborazione dei dati, a differenza dei sistemi di alimentazione, non riguarda l'erogazione di energia; Si tratta di elaborazione dei dati. Quindi non è che i progettisti scelgono di operare a basse tensioni e alte correnti andando così contro \ $ I ^ 2R \ $ . Sì, sono preoccupati per il consumo di energia e il calore dovuto alle perdite, ma non per l'erogazione efficiente di energia. Un progettista di potenza deve fornire una quantità X di potenza e aumenterebbe la tensione in modo da poter diminuire la corrente fornendo la stessa potenza. Un designer digitale ridurrebbe completamente la "potenza in uscita" se potesse.

Le loro ottimizzazioni richiedono basse tensioni operative che si traducono in elevate correnti di dispersione. L'obiettivo di queste ottimizzazioni è quello di consentire transistor più piccoli in modo da poterli inserire in più e commutarli più velocemente, e quando si hanno milioni e milioni di transistor che cambiano molto frequentemente, si ottiene un sacco di carica / scarica delle capacità del gate. Questa corrente dinamica si traduce in correnti di picco elevate che possono essere decine di ampere nella logica digitale ad alta velocità e alta densità. Puoi vedere che tutta questa corrente e potenza è indesiderata e non intenzionale.

Idealmente, non vorremmo assolutamente alcuna corrente perché la nostra preoccupazione è l'informazione, non l'energia / potenza.Anche le alte tensioni sarebbero utili per l'immunità al rumore, ma ciò è in diretto contrasto con la riduzione delle dimensioni dei transistor.

La potenza richiesta per commutare una capacità da 0 logico a 1 logico (o viceversa) è proporzionale alla frequenza di clock moltiplicata per la tensione di alimentazione squared.Nei circuiti digitali CMOS gli ingressi della porta logica sembrano condensatori, quindi caricare e scaricare le capacità utilizza la maggior parte della potenza in questi circuiti.

Come hai detto, le \ $ I ^ 2R \ $ perdite nei conduttori aumenteranno, quindi gli alimentatori a bassa tensione sono posizionati il più vicino possibile alprocessore.Guarda una scheda madre moderna e vedrai un connettore 12V molto vicino alla CPU.Vedrai anche diversi grandi induttori e condensatori ... questi sono per gli alimentatori switching a bassa tensione.

Oltre al punto di vista di Elliot sulla potenza richiesta per caricare le minuscole capacità associate a ciascun transistor in una GPU o CPU ad alte prestazioni. considera la dimensione di ogni transistor.

All'inizio degli anni '80 le persone non si preoccupavano molto della protezione elettrostatica, ma ho iniziato a prestare attenzione quando mi sono imbattuto per la prima volta in un transistor con una larghezza di isolamento del gate di 1 micron (nel 1982). È l'intensità del campo elettrico (volt / metro), non solo la tensione, a causare la rottura dell'alta tensione.

Puoi ottenere molti V / m attraverso un micron.

Ora, le dimensioni minime delle funzionalità sono inferiori di un paio di ordini di grandezza, quindi collegare i minuscoli transistor nella logica di base di una CPU all'alimentazione tradizionale a 5V li distruggerebbe semplicemente.

I transistor I / O erano costruiti fuori misura e particolarmente resistenti, ei chip utilizzavano binari di alimentazione separati per le interconnessioni I / O. Ma sempre di più, anche questi possono tollerare solo 3,3 V o addirittura fino a 1,8 V. Negli FPGA, praticamente solo i dispositivi trailing edge sono ancora tolleranti a 5V.

I molti transistor in un IC sono collegati al VCC e alle linee di terra, non tra loro, quindi non "condivideranno" tensioni per così dire come farebbero in serie (il che non ha senso per CMOS in quanto si basa sul ripristino della logica della corrente che passa da una forte sorgente VCC, non daisy chain attraverso alcuni milioni di transistor).

I blocchi CMOS sono tutti collegati allo stesso VCC, quindi prenderanno più corrente con la stessa tensione, come se fossero in parallelo. Poiché i transistor richiedono solo 1 V per funzionare, è necessario solo 1 V. Ma ci sono billions di transistor e devi fornire corrente a ciascuno di essi. Ecco perché hai un potente alimentatore e condensatori di disaccoppiamento per fornire la corrente di 100 A circa nei momenti di bisogno (per farla breve le linee elettriche possono agire come un induttore e quando i miliardi di transistor si accendono contemporaneamente, hanno bisogno di un ENORME sbalzo di corrente - i condensatori di disaccoppiamento forniscono questo quando il filo si oppone ancora all'enorme corsa di corrente).

Ecco perché hai bisogno di molta corrente ma una piccola tensione.

MODIFICA:

Per aggiungere le linee di trasmissione di potenza, è vero che la corrente più bassa si traduce in minori perdite ma queste sono linee CA e puoi usare un trasformatore per convertirlo in una tensione inferiore con una corrente più alta (cioè quando le linee elettriche arrivare in un paese e le case hanno bisogno di 230V e non pochi kilovolt). Questo è un concetto abbastanza diverso qui, poiché gli IC usano solo DC. Credo che la tua domanda di fondo riguardasse l'uso dell'alta corrente nei circuiti integrati e non necessariamente la capacità del circuito integrato di convertire tra alta / bassa tensione e corrente. Posso sicuramente capire la tua confusione tra gli argomenti, spero che la mia risposta lo abbia spiegato.

Ti darò la mia risposta che si basa sulla logica digitale 101 che ho preso molti anni fa.La potenza dissipata in un circuito integrato con clock è data da questa formula:

P = V ^ 2 * C * F

Dove P è la potenza, C è la capacità, V è la tensione (VCC) e F è la frequenza di clock.

Questo è il motivo per cui i chip assetati di energia sono ottimizzati per ridurre al minimo il VCC.Se usassero una V maggiore, consumerebbero ancora più energia.

Notare che C è la capacità di processo per la geometria del livello del transistor e il tipo di fabbricazione utilizzato.

In particolare lo strato di gate MOSFET può essere reso estremamente sottile in circuiti integrati a bassa tensione.Tuttavia, questo aumenta anche la capacità, C. Quindi ci sono dei compromessi.Ma poiché la potenza è proporzionale a V ^ 2, di solito conviene minimizzare V.

La mia risposta è simile a quella eccellente di DKNguyen, ma la formulerò in modo diverso.

In primo luogo, in un circuito integrato, la tensione e la corrente sono indipendenti. Idealmente, vuoi che entrambi siano il più bassi possibile. Ma come sempre in ingegneria, ci sono conflitti di progettazione che ti costringono a fare dei compromessi.

Quindi diamo un'occhiata alla tensione e alla corrente separatamente.

Tensione

Ci sono alcuni punti da tenere in considerazione per l'utilizzo di un voltaggio più alto (er) e altri per un voltaggio più basso. La logica TTL originale (come la maggior parte dei chip utilizzati nel 1977 Apple] [computer al di fuori della CPU stessa) funzionava a 5 volt. La logica TTL è ancora onnipresente; è ancora possibile acquistare la maggior parte degli stessi chip usati da Steve Wozniak negli anni '70. Nei sistemi di telefonia fissa, gli impulsi di chiamata (che in realtà sono solo bit digitali se ci pensi) usavano fino a 48V.

Oggi scendi fino a 1 Volt.

Vantaggi per l'alta tensione

Affidabilità. Se si dispone di un circuito di scarsa qualità (come un cavo telefonico in rame sottile di 7 miglia), è molto più facile distinguere in modo affidabile la differenza tra 48 V e 0, ma è quasi impossibile distinguere 1 V da 0 V. Fondamentalmente l'alta tensione "funziona e basta" qualunque cosa accada.

È praticamente tutto. Nei circuiti altamente integrati di oggi, che sono strumenti di estrema precisione e con oltre 50 anni di esperienza nella produzione per ottenere questa precisione, non è necessario quel tipo di robustezza, quindi anche le tensioni inferiori funzionano altrettanto bene.

Modifica: come ha sottolineato Peter Cordes, un voltaggio più alto ha un secondo vantaggio; può consentire una maggiore velocità perché la tensione raggiunge più rapidamente la soglia di rilevamento affidabile. Spero di averlo parafrasato correttamente.

Vantaggi per una bassa tensione

• Basso consumo energetico, che si traduce in una maggiore durata della batteria e una minore produzione di calore. Modifica: Peter Cordes ha sottolineato che un minore consumo energetico si traduce anche nel fatto che il chip non si scioglie. È un problema molto reale. Alcune CPU esploderanno in pochi secondi se ti dimentichi di inserire un dissipatore di calore.
• Maggiore velocità. Ci sono semplicemente meno elettroni da mescolare (sebbene ciò dipenda tecnicamente dalla carica piuttosto che dalla tensione, questi due sono collegati in termini pratici).
• Puoi utilizzare isolanti più sottili senza doverti preoccupare della rottura della corrente. Ciò si traduce in isolanti più sottili. Eccezione: i transistor a gate flottante sono effettivamente progettati per la rottura di corrente attraverso un isolante. Ecco perché scrivere e cancellare la memoria flash richiede un alto voltaggio.

Quindi, quando si parla di un circuito di computer, la bassa tensione vince chiaramente.

Corrente

Ora diamo un'occhiata alla corrente. Come già sottolineato da DKNguyen, i progettisti vogliono anche mantenere la corrente più bassa possibile, in parte per ridurre il calore e in parte per prolungare la durata della batteria degli smartphone, ecc.

Ma per capire cosa sta succedendo, non dovresti davvero guardare il 100A, o qualunque cosa sia. Potrebbe trattarsi di una media, o più probabilmente di una media in presenza di un carico grafico elevato.

Se la tua scheda grafica fosse perfettamente inattiva (cosa che non lo è mai, nemmeno vicino!), la corrente sarebbe effettivamente prossima a 0A. I transistor nei microchip sono (un po 'semplicisticamente parlando) solitamente disposti come coppie di transistor CMOS in serie, dove uno è sempre in modalità "on" e l'altro in modalità "off". Quindi la corrente non può mai fluire, in teoria. In pratica, quando i transistor commutano, per un tempo molto breve, di solito c'è un periodo molto breve (misurato in picosecondi) quando entrambi sono "accesi" - in pratica, un cortocircuito. Questa commutazione avviene miliardi di volte al secondo (a seconda della frequenza di clock della GPU, principalmente) e in qualsiasi cosa, da poche migliaia a milioni di transistor allo stesso tempo, a seconda di quanto è attiva la tua GPU. Quindi il tuo 100A in realtà non è 100A costante, ma una serie di quasi 0A, seguita da picchi estremamente brevi potenzialmente anche molto più di 100A.

Modifica: Peter Cordes ha anche sottolineato che lo 0A è un'idealizzazione in primo luogo. C'è molta corrente parassita che fuoriesce dai transistor, così come praticamente ovunque sul chip.

C'è un secondo problema con current. Molti componenti (come i bit nella RAM dinamica) in un chip agiscono come condensatori (in realtà sono transistor cablati come condensatori). Scrivere 0 o 1 in tali condensatori significa immagazzinare o rimuovere elettroni dai condensatori. Maggiore è la corrente (e minore è la carica), minore è il tempo necessario. Modifica: come ha sottolineato Peter Cordes, oltre ai condensatori nel circuito intenzionalmente, c'è anche molta capacità aggiuntiva ovunque (ad esempio da componenti o cavi adiacenti), che contribuisce anche allo stesso problema.

Per ridurre la corrente, i progettisti hanno alcune opzioni:

• Riduci la velocità. Ciò riduce il numero di operazioni di commutazione (e quindi picchi di corrente) e consente anche di caricare o scaricare i condensatori a una velocità inferiore.
• Disattiva le parti del circuito che non sono utilizzate al momento.Di nuovo, ciò viene fatto durante la modalità di sospensione.
• Riduci il tempo in cui entrambi i transistor di una coppia sono "accesi" in modo che i picchi siano più brevi.
• Abbassa la tensione.Secondo la legge di Ohm, tensioni inferiori si traducono in correnti inferiori.

I primi due vengono eseguiti principalmente in modalità di sospensione e anche quando un computer inizia a surriscaldarsi.Purtroppo, Apple a un certo punto ha anche rallentato i propri iPhone per ridurre il consumo di corrente quando le batterie hanno iniziato a invecchiare.

Perdite

Hai anche menzionato perdite elevate nelle linee elettriche (dove le tensioni sono alte e le correnti sono basse).È una situazione molto diversa.In un computer, le perdite sono sempre del 100%;quasi tutta l'elettricità viene convertita in calore (tranne alcune che vengono convertite in luce, energia radio per WiFi o simili).

Quindi l'obiettivo non è ridurre le perdite, ma ridurre la potenza totale.

1. Una tensione più alta interrompe i transistor.

I transistor moderni sono piccoli e non possono sopportare l'alta tensione. Più piccoli li facciamo, minore deve essere la tensione, per evitare che gli elettroni saltino tra le tracce e distruggano il dispositivo. Storicamente era 5 V, poi è sceso a ~ 1 V nelle apparecchiature attuali. Pensa all'isolamento dei fili: i fili classificati per 10k volt hanno un rivestimento molto più spesso dei fili che trovi nei giocattoli.

2. I transistor utilizzano molta corrente (amplificatori) perché ce n'è molta. Aspettatevi 10 miliardi in dispositivi moderni (1 000 000 000).

Altre risposte approfondiscono i dettagli sul motivo.

3. Efficienza energetica

Come hai notato tu stesso, sarebbe utile inviare 1 A a 100 V che inviare 100 A a 1 V.
In effetti, i produttori lo fanno già!

La CPU e le schede video hanno spesso connettori a 12V dedicati e convertono solo a ~ 1V appena prima di entrare nel processore. È possibile vedere una serie di condensatori e convertitori attorno al processore (tondi e pezzi di scatola, spesso con il proprio dissipatore di calore). Sareste sorpresi di quanta corrente vi scorre (100 ampere) e quante "gambe" del processore sono dedicate esclusivamente all'alimentazione.