Disiparea puterii procesorului - Processor power dissipation

Disiparea puterii procesorului sau disiparea puterii unității de procesare este procesul în care procesoarele de calculator consumă energie electrică și disipează această energie sub formă de căldură datorită rezistenței din circuitele electronice .

Gestionare a energiei

Vezi și: TDP variabil

Proiectarea CPU-urilor care îndeplinesc sarcinile în mod eficient fără supraîncălzire este o considerație majoră a aproape tuturor producătorilor de CPU până în prezent. Din punct de vedere istoric, procesoarele timpurii implementate cu tuburi vidate consumau energie de ordinul a mulți kilowați . CPU-urile actuale din computerele personale de uz general , cum ar fi desktop-urile și laptopurile , consumă energie în ordinea a zeci până la sute de wați. Unele alte implementări CPU folosesc foarte puțină energie; de exemplu, CPU-urile din telefoanele mobile folosesc adesea doar câțiva wați de energie electrică, în timp ce unele microcontrolere utilizate în sistemele încorporate pot consuma doar câțiva milliwați sau chiar cât de puțini microwați.

Există o serie de motive de inginerie pentru acest model:

  • Pentru un anumit dispozitiv, funcționarea la o rată de ceas mai mare poate necesita mai multă energie. Reducerea frecvenței ceasului sau subvoltarea reduce de obicei consumul de energie; este, de asemenea, posibil să subtensionați microprocesorul, menținând în același timp viteza de ceas.
  • Noile caracteristici necesită, în general, mai mulți tranzistori , fiecare dintre aceștia utilizând energie. Dezactivarea zonelor neutilizate economisește energie, cum ar fi prin închiderea ceasului .
  • Pe măsură ce designul unui model de procesor se maturizează, tranzistoarele mai mici, structurile de tensiune mai mică și experiența de proiectare pot reduce consumul de energie.

Producătorii de procesoare eliberează de obicei două numere de consum de energie pentru un procesor:

  • putere termică tipică , care se măsoară sub sarcină normală. (de exemplu, puterea medie a procesorului AMD )
  • puterea termică maximă , care este măsurată sub o sarcină în cel mai rău caz

De exemplu, Pentium 4 2,8 GHz are o putere termică tipică de 68,4 W și o putere termică maximă de 85 W. Când CPU-ul este inactiv, va atrage mult mai puțin decât puterea termică tipică. Fișele tehnice conțin în mod normal puterea de proiectare termică (TDP), care este cantitatea maximă de căldură generată de CPU, pe care sistemul de răcire dintr-un computer trebuie să o disipeze . Atât Intel cât și Advanced Micro Devices (AMD) au definit TDP ca fiind generarea maximă de căldură pentru perioade semnificative din punct de vedere termic, în timp ce rulează sarcini de lucru nesintetice în cele mai grave cazuri; astfel, TDP nu reflectă puterea maximă reală a procesorului. Acest lucru asigură că computerul va putea gestiona în esență toate aplicațiile fără a depăși anvelopa sa termică sau necesită un sistem de răcire pentru puterea teoretică maximă (care ar costa mai mult, dar în favoarea unui spațiu suplimentar pentru puterea de procesare).

În multe aplicații, CPU-ul și alte componente sunt inactive majoritatea timpului, astfel încât alimentarea inactivă contribuie semnificativ la utilizarea generală a energiei sistemului. Când CPU utilizează funcții de gestionare a energiei pentru a reduce consumul de energie, alte componente, cum ar fi placa de bază și chipset-ul, ocupă o proporție mai mare din energia computerului. În aplicațiile în care computerul este adesea încărcat puternic, cum ar fi calculul științific, performanța pe watt (cât calculează CPU pe unitate de energie) devine mai semnificativă.

CPU-urile folosesc de obicei o parte semnificativă din puterea consumată de computer . Alte utilizări majore includ plăcile video rapide , care conțin unități de procesare grafică și surse de alimentare . La laptopuri, lumina de fundal a LCD -ului folosește, de asemenea, o parte semnificativă din puterea totală. În timp ce caracteristicile de economisire a energiei au fost instituite în computerele personale atunci când acestea sunt inactive, consumul general al procesorelor de înaltă performanță de astăzi este considerabil. Acest lucru este în contrast puternic cu consumul de energie mult mai redus al procesorelor concepute pentru dispozitive cu consum redus de energie.

Surse

Există mai mulți factori care contribuie la consumul de energie al procesorului; acestea includ consumul de energie dinamic, consumul de scurtcircuit și pierderea de energie datorată curenților de scurgere a tranzistorului :

Consumul de energie dinamic provine din activitatea porților logice din interiorul unui procesor. Când porțile logice comută, energia curge pe măsură ce condensatorii din interiorul lor sunt încărcați și descărcați. Puterea dinamică consumată de un CPU este aproximativ proporțională cu frecvența CPU și cu pătratul tensiunii CPU:

unde C este capacitatea de sarcină comutată, f este frecvență, V este tensiune.

Când porțile logice comută, unele tranzistoare din interior pot schimba stări. Deoarece acest lucru durează o perioadă limitată de timp, se poate întâmpla ca pentru o perioadă foarte scurtă de timp unii tranzistori să conducă simultan. O cale directă între sursă și masă are ca rezultat o anumită pierdere de putere în scurtcircuit ( ). Mărimea acestei puteri depinde de poarta logică și este destul de complexă de modelat la nivel macro.

Consumul de energie datorat puterii de scurgere ( ) emană la un nivel mic în tranzistoare. Cantități mici de curenți curg întotdeauna între părțile diferit dopate ale tranzistorului. Mărimea acestor curenți depinde de starea tranzistorului, de dimensiunile sale, de proprietățile fizice și, uneori, de temperatură. Cantitatea totală de curenți de scurgere tinde să se umfle pentru creșterea temperaturii și scăderea dimensiunilor tranzistorului.

Atât consumul de energie dinamic, cât și cel de scurtcircuit depind de frecvența ceasului, în timp ce curentul de scurgere depinde de tensiunea de alimentare a procesorului. S-a demonstrat că consumul de energie al unui program prezintă un comportament convex de energie, ceea ce înseamnă că există o frecvență optimă a procesorului la care consumul de energie este minim pentru munca depusă.

Reducere

Consumul de energie poate fi redus în mai multe moduri, inclusiv următoarele:

  • Reducerea tensiunii - procesoare cu dublă tensiune , scalare dinamică a tensiunii , subtensiune etc.
  • Reducerea frecvenței - underclocking , scalare dinamică a frecvenței etc.
  • Reducerea capacității - circuite din ce în ce mai integrate care înlocuiesc urmele PCB-urilor între două cipuri cu o interconectare metalică pe cip relativ cu capacitate mai mică între două secțiuni ale unui singur cip integrat; dielectric low-k etc.
  • Tehnici de gating de putere , cum ar fi gating ceas și global asincron sincron local , care pot fi considerate ca reducând capacitatea activată pe fiecare bifă de ceas sau pot fi considerate ca reducând local frecvența ceasului în unele secțiuni ale cipului.
  • Diverse tehnici de reducere a activității de comutare - numărul de tranziții pe care CPU le conduce în magistrale de date off-chip, cum ar fi magistrala de adrese non-multiplexată , codarea magistralei , cum ar fi adresarea codului gri , sau codarea cache a valorii, cum ar fi protocolul de alimentare. Uneori, un „factor de activitate” ( A ) este introdus în ecuația de mai sus pentru a reflecta activitatea.
  • Sacrificarea densității tranzistorului pentru frecvențe mai mari.
  • Stratificarea zonelor de conducere a căldurii în cadrul procesorului („Christmassing the Gate”).
  • Reciclând cel puțin o parte din acea energie stocată în condensatoare (mai degrabă decât disipând-o ca căldură în tranzistoare) - circuit adiabatic , logică de recuperare a energiei etc.
  • Optimizarea codului mașinii - prin implementarea optimizărilor compilatorului care programează clustere de instrucțiuni folosind componente comune, puterea procesorului utilizată pentru a rula o aplicație poate fi redusă semnificativ.

Frecvențe de ceas și modele de cipuri multi-core

Din punct de vedere istoric, producătorii de procesoare au oferit în mod constant creșteri ale ratei de ceas și paralelism la nivel de instrucțiuni , astfel încât codul cu un singur fir să se execute mai rapid pe procesoarele mai noi, fără nicio modificare. Mai recent, pentru a gestiona disiparea puterii procesorului, producătorii de procesoare favorizează proiectarea cipurilor multi-core , astfel software-ul trebuie scris într-o manieră multi-threaded sau multi-proces pentru a profita din plin de astfel de hardware. Multe paradigme de dezvoltare multi-thread introduse overhead și nu vor vedea o creștere liniară a vitezei în comparație cu numărul de procesoare. Acest lucru este valabil mai ales atunci când accesați resurse partajate sau dependente, din cauza conflictului de blocare . Acest efect devine mai vizibil pe măsură ce crește numărul de procesoare.

Recent, IBM a explorat modalități de a distribui mai eficient puterea de calcul prin imitarea proprietăților de distribuție ale creierului uman.

Supraîncălzirea procesorului

Procesorul poate fi deteriorat din cauza supraîncălzirii, dar furnizorii protejează procesoarele cu garanții operaționale, cum ar fi limitarea și oprirea automată. Când un nucleu depășește temperatura setată a clapetei de accelerație, procesoarele pot reduce puterea pentru a menține un nivel de temperatură sigur și dacă procesorul nu poate menține o temperatură de funcționare sigură prin acțiuni de strangulare, se va opri automat pentru a preveni deteriorarea permanentă.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe