Рассеивание мощности процессора или рассеивание мощности процессорного блока — это процесс, при котором процессоры компьютеров потребляют электрическую энергию и рассеивают эту энергию в виде тепла из-за сопротивления в электронных цепях .
Разработка ЦП, которые эффективно выполняют задачи без перегрева, является основным соображением почти всех производителей ЦП на сегодняшний день. Исторически сложилось так, что ранние ЦП, реализованные с электронными трубками, потребляли мощность порядка многих киловатт . Современные ЦП в персональных компьютерах общего назначения , таких как настольные компьютеры и ноутбуки , потребляют мощность порядка десятков-сотен ватт. Некоторые другие реализации ЦП потребляют очень мало энергии; например, ЦП в мобильных телефонах часто потребляют всего несколько ватт электроэнергии, [1] в то время как некоторые микроконтроллеры, используемые во встраиваемых системах, могут потреблять всего несколько милливатт или даже всего несколько микроватт.
Для этой модели есть ряд инженерных причин:
Производители процессоров обычно публикуют два показателя энергопотребления ЦП:
Например, Pentium 4 2,8 ГГц имеет типичную тепловую мощность 68,4 Вт и максимальную тепловую мощность 85 Вт. Когда процессор находится в режиме ожидания, он потребляет гораздо меньше типичной тепловой мощности. В технических описаниях обычно указывается расчетная тепловая мощность (TDP), которая представляет собой максимальное количество тепла, выделяемого процессором, которое требуется системе охлаждения компьютера для рассеивания . И Intel, и Advanced Micro Devices (AMD) определили TDP как максимальное выделение тепла в течение термически значимых периодов при работе с наихудшими несинтетическими рабочими нагрузками; таким образом, TDP не отражает фактическую максимальную мощность процессора. Это гарантирует, что компьютер сможет обрабатывать практически все приложения, не превышая своего теплового диапазона или не требуя системы охлаждения для максимальной теоретической мощности (что обойдется дороже, но в пользу дополнительного запаса для вычислительной мощности). [3] [4]
Во многих приложениях ЦП и другие компоненты большую часть времени простаивают, поэтому мощность простоя вносит значительный вклад в общее энергопотребление системы. Когда ЦП использует функции управления питанием для снижения энергопотребления, другие компоненты, такие как материнская плата и чипсет, потребляют большую долю энергии компьютера. В приложениях, где компьютер часто сильно загружен, таких как научные вычисления, производительность на ватт (сколько вычислений выполняет ЦП на единицу энергии) становится более значимой.
Процессоры обычно используют значительную часть потребляемой компьютером мощности . Другие основные области применения включают быстрые видеокарты , которые содержат графические процессоры , и блоки питания . В ноутбуках подсветка ЖК- дисплея также использует значительную часть общей мощности. Хотя в персональных компьютерах были внедрены функции энергосбережения для периодов бездействия, общее потребление современных высокопроизводительных процессоров является значительным. Это резко контрастирует с гораздо более низким потреблением энергии процессорами, разработанными для маломощных устройств.
На энергопотребление ЦП влияют несколько факторов: динамическое энергопотребление, энергопотребление при коротком замыкании и потери мощности из-за токов утечки транзисторов :
Динамическое потребление энергии возникает из-за активности логических вентилей внутри ЦП. Когда логические вентили переключаются, энергия течет, поскольку конденсаторы внутри них заряжаются и разряжаются. Динамическая мощность, потребляемая ЦП, приблизительно пропорциональна частоте ЦП и квадрату напряжения ЦП: [5]
где C – коммутируемая емкость нагрузки, f – частота, V – напряжение. [6]
Когда логические вентили переключаются, некоторые транзисторы внутри могут менять состояние. Поскольку это занимает конечное время, может случиться так, что в течение очень короткого времени некоторые транзисторы будут проводить одновременно. Прямой путь между источником и землей затем приводит к некоторой потере мощности короткого замыкания ( ). Величина этой мощности зависит от логического вентиля и довольно сложна для моделирования на макроуровне.
Потребление мощности за счет мощности утечки ( ) возникает на микроуровне транзисторов. Небольшие количества токов всегда протекают между по-разному легированными частями транзистора. Величина этих токов зависит от состояния транзистора, его размеров, физических свойств и иногда температуры. Общее количество токов утечки имеет тенденцию к увеличению при повышении температуры и уменьшении размеров транзистора.
Как динамическое, так и короткое замыкание энергопотребления зависят от тактовой частоты, в то время как ток утечки зависит от напряжения питания ЦП. Было показано, что энергопотребление программы демонстрирует выпуклое энергетическое поведение, что означает, что существует оптимальная частота ЦП, при которой энергопотребление минимально для выполняемой работы. [7]
Потребление энергии можно снизить несколькими способами, [ необходима ссылка ] включая следующие:
Исторически производители процессоров постоянно увеличивали тактовую частоту и параллелизм на уровне инструкций , так что однопоточный код выполнялся быстрее на новых процессорах без каких-либо изменений. [12] В последнее время, чтобы управлять рассеиванием мощности ЦП, производители процессоров отдают предпочтение многоядерным конструкциям чипов, поэтому программное обеспечение должно быть написано в многопоточном или многопроцессорном режиме, чтобы в полной мере использовать преимущества такого оборудования. Многие многопоточные парадигмы разработки вносят накладные расходы и не увидят линейного увеличения скорости по сравнению с количеством процессоров. Это особенно актуально при доступе к общим или зависимым ресурсам из-за конкуренции за блокировки . Этот эффект становится более заметным по мере увеличения количества процессоров.
В последнее время IBM изучает способы более эффективного распределения вычислительной мощности, имитируя распределительные свойства человеческого мозга. [13]
Процессоры могут быть повреждены от перегрева, но поставщики защищают процессоры с помощью эксплуатационных мер безопасности, таких как дросселирование и автоматическое отключение. Когда ядро превышает установленную температуру дросселирования, процессоры могут снизить мощность для поддержания безопасного уровня температуры, а если процессор не может поддерживать безопасную рабочую температуру с помощью дросселирования, он автоматически отключится для предотвращения постоянного повреждения. [14]
Тепловая расчетная мощность (TDP) должна использоваться для целей проектирования теплового решения процессора. TDP не является максимальной мощностью, которую процессор может рассеивать.
В случае Intel TDP определенного чипа имеет меньшее отношение к количеству энергии, которое чип должен использовать (или может использовать), а больше к количеству энергии, которое вентилятор и радиатор компьютера должны рассеивать, пока чип находится под постоянной нагрузкой. Фактическое потребление энергии может быть выше или (намного) ниже TDP, но эта цифра призвана дать руководство инженерам, проектирующим решения по охлаждению для своих продуктов.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )