Рассеивание мощности процессора - CPU power dissipation

Рассеиваемая мощность процессора или же рассеиваемая мощность процессора это процесс, в котором компьютерные процессоры потреблять электроэнергия, и рассеивают эту энергию в виде высокая температура из-за сопротивление в электронные схемы.

Управление энергопотреблением

Смотрите также: Переменный TDP

Проектирование процессоров, выполняющих задачи эффективно без перегрев на сегодняшний день является основным соображением почти всех производителей процессоров. Некоторые реализации ЦП потребляют очень мало энергии; например, процессоры в мобильные телефоны часто используют всего несколько Вт электричества,[1] в то время как некоторые микроконтроллеры используется в встроенные системы может потреблять всего несколько милливатт или даже несколько микроватт. Для сравнения: процессоры общего назначения персональные компьютеры, Такие как настольные компьютеры и ноутбуки, рассеивают значительно больше энергии из-за их более высокой сложности и скорости. Эти микроэлектронные процессоры могут потреблять мощность порядка десятков ватт или даже сотен ватт. Исторически ранние процессоры, реализованные с вакуумные трубки потребляемая мощность порядка многих киловатты.

ЦП для настольных компьютеров обычно используют значительную часть энергии, потребляемой компьютер. Другие основные применения включают быстрое видеокарты, которые содержат графические процессоры,[2] и Источники питания. В ноутбуках ЖК-дисплей Подсветка также потребляет значительную часть общей мощности. Пока энергосберегающие функции были установлены в персональных компьютерах, так как когда они простаивают, общее потребление сегодняшних высокопроизводительных процессоров является значительным. Это резко контрастирует с гораздо более низким энергопотреблением процессоров, разработанных для устройств с низким энергопотреблением. Один из таких процессоров, Intel XScale, может работать на 600МГц потребляет менее 1 Вт мощности, тогда как Intel x86 Процессоры ПК с такой же производительностью потребляют в несколько раз больше энергии.

У этого шаблона есть некоторые инженерные причины.

  • Для данного устройства, работающего на более высокой тактовая частота может потребоваться больше мощности. Уменьшение тактовой частоты или пониженное напряжение обычно снижает потребление энергии; также возможно понизить напряжение микропроцессора, сохраняя при этом тактовую частоту.[3]
  • Новые функции обычно требуют большего транзисторы, каждый из которых использует мощность. Выключение неиспользуемых участков экономит энергию, например, через стробирование часов.
  • По мере совершенствования конструкции процессоров транзисторы меньшего размера, структуры с низким напряжением и опыт проектирования могут снизить потребление энергии.

Производители процессоров обычно указывают два значения энергопотребления для ЦП:

  • типичная тепловая мощность, который измеряется при нормальной нагрузке. (например, AMD Средняя мощность процессора )
  • максимальная тепловая мощность, который измеряется при наихудшей нагрузке

Например, Pentium 4 2,8 ГГц имеет типичную тепловую мощность 68,4 Вт и максимальную тепловую мощность 85 Вт. Когда процессор простаивает, он потребляет намного меньше, чем типичная тепловая мощность. Даташиты обычно содержат Тепловая схема питания (TDP), что является максимальной суммой высокая температура генерируется процессором, который система охлаждения в компьютере требуется рассеиваться. И Intel, и Продвинутые Микроустройства (AMD) определили TDP как максимальное тепловыделение для термически значимых периодов при выполнении несинтетических рабочих нагрузок наихудшего случая; таким образом, TDP не отражает фактическую максимальную мощность процессора. Это гарантирует, что компьютер сможет обрабатывать практически все приложения, не выходя за пределы своего теплового диапазона или не требуя системы охлаждения для максимальной теоретической мощности (что будет стоить больше, но в пользу дополнительного запаса для вычислительной мощности).[4][5]

Во многих приложениях ЦП и другие компоненты большую часть времени простаивают, поэтому мощность в режиме ожидания существенно влияет на общее энергопотребление системы. Когда ЦП использует управление энергопотреблением Благодаря функциям для снижения энергопотребления другие компоненты, такие как материнская плата и набор микросхем, потребляют большую долю энергии компьютера. В приложениях, где компьютер часто сильно загружен, например в научных вычислениях, производительность на ватт (сколько вычислений процессор выполняет на единицу энергии) становится более важным.

Источники

Есть несколько факторов, влияющих на энергопотребление процессора; они включают динамическое энергопотребление, потребляемую мощность при коротком замыкании и потерю мощности из-за токи утечки транзисторов:

Динамическое энергопотребление происходит 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:[6]

куда C - коммутируемая емкость нагрузки, ж частота, V напряжение.[7]

При переключении логических вентилей некоторые транзисторы внутри могут изменять состояние. Поскольку это занимает ограниченное количество времени, может случиться так, что в течение очень короткого промежутка времени некоторые транзисторы будут работать одновременно. В этом случае прямой путь между источником и землей приводит к некоторой потере мощности при коротком замыкании (). Величина этой мощности зависит от логического элемента, и ее довольно сложно смоделировать на макроуровне.

Потребляемая мощность из-за мощности утечки () излучается на микроуровне в транзисторах. Между различными легированными частями транзистора всегда протекают небольшие токи. Величина этих токов зависит от состояния транзистора, его размеров, физических свойств и иногда температуры. Общая величина токов утечки имеет тенденцию увеличиваться с увеличением температуры и уменьшением размеров транзисторов.

Как динамическое энергопотребление, так и энергопотребление при коротком замыкании зависят от тактовой частоты, а ток утечки зависит от напряжения питания процессора. Было показано, что потребление энергии программой демонстрирует выпуклое энергопотребление, что означает, что существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально для выполняемой работы.[8]

Снижение

Энергопотребление можно снизить несколькими способами:[нужна цитата ] включая следующее:

Тактовые частоты и конструкция многоядерных микросхем

Исторически сложилось так, что производители процессоров постоянно увеличивали тактовая частота и параллелизм на уровне инструкций, чтобы однопоточный код выполнялся быстрее на новых процессорах без каких-либо изменений.[13] В последнее время производители процессоров предпочитают, чтобы управлять рассеянием мощности ЦП. многоядерный конструкции микросхем, поэтому программное обеспечение должно быть написано на многопоточный или многопроцессорный способ, чтобы в полной мере использовать такое оборудование. Многие парадигмы многопоточной разработки приводят к накладным расходам и не видят линейного увеличения скорости по сравнению с количеством процессоров. Это особенно верно при доступе к общим или зависимым ресурсам из-за замок раздор. 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.[14]

Перегрев процессора

Процессор может быть поврежден из-за перегрева, но производители защищают процессоры с помощью таких мер безопасности, как дросселирование и автоматическое выключение. Когда ядро ​​превышает установленную температуру дроссельной заслонки, процессоры могут снизить мощность, чтобы поддерживать безопасный уровень температуры, и если процессор не может поддерживать безопасную рабочую температуру посредством дросселирования, он автоматически отключается, чтобы предотвратить необратимое повреждение. [15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чжан, Ифань; Лю, Юньсинь; Чжуан, Ли; Лю, Сюаньчжэ; Чжао, Фэн; Ли, Цюнь. Точное моделирование мощности процессора для многоядерных смартфонов (Отчет). Microsoft Research. MSR-TR-2015-9.
  2. ^ Миттал, Спарш; Веттер, Джеффри С. (2014). «Обзор методов анализа и повышения энергоэффективности GPU». Опросы ACM Computing. 47 (2): 1–23. arXiv:1404.4629. Дои:10.1145/2636342.
  3. ^ Катресс, Ян (2012-04-23). «Пониженное напряжение и разгон на Ivy Bridge». anandtech.com.
  4. ^ Чин, Майк (2004-06-15). «Athlon 64 для тихой работы». silentpcreview.com. п. 3. Получено 2013-12-21. Расчетная тепловая мощность (TDP) должна использоваться для целей проектирования теплового решения процессора. TDP - это не максимальная мощность, которую может рассеять процессор.
  5. ^ Каннингем, Эндрю (14 января 2013 г.). «Технические подробности 7-ваттных процессоров Intel Ivy Bridge». Ars Technica. Получено 2013-01-14. В случае Intel TDP указанного чипа меньше связано с количеством энергии, которое чип должен использовать (или может использовать), и больше связан с количеством энергии, которое вентилятор и радиатор компьютера должны рассеивать, пока чип находится под длительной нагрузкой. Фактическое энергопотребление может быть выше или (намного) ниже TDP, но эта цифра предназначена для руководства инженерам, разрабатывающим решения по охлаждению для своих продуктов.
  6. ^ «Усовершенствованная технология Intel SpeedStep для процессора Intel Pentium M (Белая книга)» (PDF). Корпорация Intel. Март 2004 г. Архивировано с оригинал (PDF) на 2015-08-12. Получено 2013-12-21.
  7. ^ Ян М. Рабай; Масуд Педрам; редакторы.«Методологии проектирования с низким энергопотреблением».2012.p. 133.
  8. ^ Де Фогелеер, Карел; Мемми, Жерар; Жувело, Пьер; Коэльо, Фабьен (09.09.2013). «Правило выпуклости энергии / частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv:1401.4655 [cs.OH ].
  9. ^ Су, Цзин-Лун; Цуй, Чи-Инь; Despain, Элвин М. (1994). Методы проектирования и компиляции архитектуры с низким энергопотреблением для высокопроизводительных процессоров (PDF) (Отчет). Лаборатория продвинутой компьютерной архитектуры. ACAL-TR-94-01.
  10. ^ Basu, K .; Choudhary, A .; Pisharath, J .; Кандемир, М. (2002). Протокол питания: снижение рассеиваемой мощности на внешних шинах данных (PDF). Материалы 35-го ежегодного международного симпозиума по микроархитектуре (МИКРО). С. 345–355. CiteSeerX  10.1.1.115.9946. Дои:10.1109 / MICRO.2002.1176262. ISBN  978-0-7695-1859-6.
  11. ^ К. Моисеев, А. Колодный, С. Вимер. «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». ACM «Сделки по автоматизации проектирования электронных систем», том 13, выпуск 4, сентябрь 2008 г..
  12. ^ Аль-Хатиб, Заид; Абди, Самар (13 апреля 2015 г.). Моделирование динамического энергопотребления программных процессоров в FPGA на основе значений операндов. Прикладные реконфигурируемые вычисления. Конспект лекций по информатике. 9040. Спрингер, Чам. С. 65–76. Дои:10.1007/978-3-319-16214-0_6. ISBN  978-3-319-16213-3.
  13. ^ Саттер, Херб (2005). «Бесплатный обед окончен: фундаментальный поворот к параллелизму в программном обеспечении». Журнал доктора Добба. 30 (3).
  14. ^ Джонсон, Р. Колин (18 августа 2011 г.). «IBM демонстрирует когнитивные компьютерные чипы». EE Times. Получено 2011-10-01.
  15. ^ «Часто задаваемые вопросы о температуре процессоров Intel®».

дальнейшее чтение

внешняя ссылка