Рассеиваемая мощность процессора

Рассеяние мощности процессора или рассеивание мощности процессора — это процесс, при котором компьютерные процессоры потребляют электрическую энергию и рассеивают эту энергию в виде тепла из-за сопротивления в электронных схемах .

Управление питанием

Разработка процессоров, которые эффективно выполняют задачи без перегрева, на сегодняшний день является основным вопросом почти всех производителей процессоров. Исторически сложилось так, что первые процессоры, реализованные на электронных лампах, потребляли мощность порядка многих киловатт . общего назначения Современные процессоры персональных компьютеров , таких как настольные компьютеры и ноутбуки , потребляют мощность от десятков до сотен ватт. Некоторые другие реализации ЦП потребляют очень мало энергии; например, процессоры мобильных телефонов часто потребляют всего несколько ватт электроэнергии, ^{[ 1 ]} в то время как некоторые микроконтроллеры, используемые во встроенных системах, могут потреблять всего несколько милливатт или даже несколько микроватт.

Такая закономерность имеет ряд инженерных причин:

Для данного ядра ЦП потребление энергии будет увеличиваться по мере увеличения его тактовой частоты. Снижение тактовой частоты или понижение напряжения обычно снижает потребление энергии; Также возможно снизить напряжение микропроцессора, сохранив при этом тактовую частоту. ^{[ 2 ]}
Новые функции обычно требуют большего количества транзисторов , каждый из которых потребляет энергию. Отключение неиспользуемых областей экономит энергию, например, за счет синхронизации часов .
По мере развития конструкции модели процессора использование транзисторов меньшего размера, структур с более низким напряжением и опыта проектирования может снизить потребление энергии.

Производители процессоров обычно указывают два показателя энергопотребления процессора:

типичная тепловая мощность , измеряемая при нормальной нагрузке (например, средняя мощность процессора AMD )
максимальная тепловая мощность , измеряемая 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 гораздо меньше типичной тепловой энергии. В технических характеристиках обычно указывается расчетная тепловая мощность (TDP), которая представляет собой максимальное количество тепла , выделяемого процессором, которое система охлаждения компьютера должна рассеивать . И Intel, и Advanced Micro Devices (AMD) определили TDP как максимальное выделение тепла в течение термически значимых периодов при выполнении наихудших несинтетических рабочих нагрузок; 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 и не требуя системы охлаждения для максимальной теоретической мощности (которая будет стоить дороже, но в пользу дополнительного запаса 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 набор микросхем, потребляют большую часть энергии компьютера. В приложениях, где компьютер часто сильно нагружен, например, в научных вычислениях, производительность на ватт (сколько вычислений процессор выполняет на единицу энергии) становится более значимой.

Процессоры обычно используют значительную часть мощности, потребляемой компьютером . Другие основные области применения включают быстрые видеокарты , которые содержат графические процессоры и источники питания . В ноутбуках подсветка ЖК-дисплея также потребляет значительную часть общей мощности. Хотя в персональные компьютеры были введены функции энергосбережения , когда они простаивают, общее потребление сегодняшними высокопроизводительными процессорами значительно. Это резко контрастирует с гораздо меньшим энергопотреблением процессоров, предназначенных для маломощных устройств.

Источники

Есть несколько факторов, влияющих на энергопотребление процессора; они включают динамическое энергопотребление, энергопотребление при коротком замыкании и потери мощности из-за токов утечки транзистора :

$P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}$

Динамическое энергопотребление возникает из-за активности логических вентилей внутри ЦП. Когда логические элементы переключаются, энергия течет по мере того, как конденсаторы внутри них заряжаются и разряжаются. Динамическая мощность, потребляемая процессором, примерно пропорциональна частоте процессора и квадрату напряжения процессора: ^{[ 5 ]}

$P_{dyn}=CV^{2}f$

где $C$ – коммутируемая емкость нагрузки, $f$ – частота, $V$ – напряжение. ^{[ 6 ]}

Когда логические элементы переключаются, некоторые транзисторы внутри могут изменить состояние. Поскольку это занимает ограниченное время, может случиться так, что в течение очень короткого периода времени некоторые транзисторы будут проводить ток одновременно. Прямой путь между источником и землей приводит к некоторым потерям мощности при коротком замыкании ( $P_{sc}$ ). Величина этой мощности зависит от логического элемента, и ее довольно сложно моделировать на макроуровне.

Потребляемая мощность из-за мощности утечки ( $P_{leak}$ ) излучается на микроуровне в транзисторах. Между частями транзистора, легированными по-разному, всегда протекают небольшие токи. Величина этих токов зависит от состояния транзистора, его размеров, физических свойств и иногда температуры. Общая сумма токов утечки имеет тенденцию увеличиваться при повышении температуры и уменьшении размеров транзистора.

Как динамическое энергопотребление, так и энергопотребление при коротком замыкании зависят от тактовой частоты, а ток утечки зависит от напряжения питания процессора. Показано, что энергопотребление программы имеет выпуклый энергетический характер, а это означает, что существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально для выполняемой работы. ^{[ 7 ]}

Снижение

Потребление электроэнергии можно снизить несколькими способами: ^{[ нужна ссылка ]} включая следующее:

Снижение напряжения – процессоры с двойным напряжением , динамическое масштабирование напряжения , понижение напряжения и т. д.
Снижение частоты — разгон , динамическое масштабирование частоты и т. д.
Снижение емкости - все больше интегральных схем , которые заменяют дорожки печатной платы между двумя микросхемами металлическими межсоединениями на кристалле с относительно меньшей емкостью между двумя секциями одной интегрированной микросхемы; диэлектрик с низким κ и т. д.
Методы управления питанием, такие как тактовый строб и глобально асинхронный локально синхронный , которые можно рассматривать как уменьшение емкости, переключаемой на каждом такте, или как локальное уменьшение тактовой частоты в некоторых разделах кристалла.
Различные методы уменьшения активности коммутации — количество переходов, которые ЦП осуществляет во внекристальные шины данных, такие как немультиплексированная адресная шина , кодирование шины, такое как адресация по коду Грея , ^{[ 8 ]} или кодирование кэша значений, такое как протокол питания. ^{[ 9 ]} «коэффициент активности» ( A ), чтобы отразить активность. Иногда в приведенное выше уравнение добавляется ^{[ 10 ]}
Жертвовать плотностью транзисторов ради более высоких частот.
Распределение зон теплопроводности внутри каркаса ЦП («Рождественские ворота»).
Переработка хотя бы части энергии, накопленной в конденсаторах (вместо рассеивания ее в виде тепла в транзисторах) – адиабатическая схема , логика рекуперации энергии и т. д.
Оптимизация машинного кода — за счет реализации оптимизации компилятора, которая планирует кластеры инструкций с использованием общих компонентов, можно значительно снизить мощность ЦП, используемую для запуска приложения. ^{[ 11 ]}

Тактовые частоты и конструкции многоядерных чипов

Исторически сложилось так, что производители процессоров постоянно повышали тактовую частоту и параллелизм на уровне команд , 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 необходимо писать многопоточным или многопроцессным способом, чтобы в полной мере использовать преимущества такого оборудования. Многие парадигмы многопоточной разработки приводят к накладным расходам и не обеспечивают линейного увеличения скорости по сравнению с количеством процессоров. Это особенно актуально при доступе к общим или зависимым ресурсам из-за конфликтов блокировок . 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 ]}

Перегрев процессора

Процессоры могут быть повреждены из-за перегрева, но поставщики защищают процессоры с помощью эксплуатационных мер безопасности, таких как регулирование и автоматическое отключение. Когда ядро превышает установленную температуру регулирования, процессоры могут снизить энергопотребление для поддержания безопасного уровня температуры, а если процессор не может поддерживать безопасную рабочую температуру посредством регулирования, он автоматически отключается, чтобы предотвратить необратимое повреждение. ^{[ 14 ]}

См. также

Ссылки

^ Чжан, Ифань, Чжуан, Ли; Чжао, Ли, Цюнь. Исследование Microsoft.
^ Катресс, Ян (23 апреля 2012 г.). «Андервольтинг и разгон на Ivy Bridge» . anandtech.com .
^ Чин, Майк (15 июня 2004 г.). «Athlon 64 — тихая мощность» . www.silentpcreview.com . п. 3 . Проверено 21 декабря 2013 г. Расчетная тепловая мощность (TDP) должна использоваться для целей проектирования теплового решения процессора. TDP — это не максимальная мощность, которую может рассеивать процессор.
^ Каннингем, Эндрю (14 января 2013 г.). «Технические детали 7-ваттных процессоров Intel Ivy Bridge» . Арс Техника . Проверено 14 января 2013 г. В случае с Intel, TDP указанного чипа не столько связан с количеством энергии, которую чип должен использовать (или может использовать), сколько с количеством энергии, которую вентилятор и радиатор компьютера должны быть в состоянии рассеивать, пока чип находится под постоянной нагрузкой. Фактическое энергопотребление может быть выше или (намного) ниже TDP, но эта цифра предназначена для того, чтобы дать рекомендации инженерам, разрабатывающим решения для охлаждения своих продуктов.
^ «Усовершенствованная технология Intel SpeedStep для процессора Intel Pentium M (информационный документ)» (PDF) . Корпорация Интел . Март 2004 г. Архивировано (PDF) из оригинала 12 августа 2015 г. Проверено 21 декабря 2013 г.
^ Ян М. Рабай; Масуд Педрам; редакторы. «Методологии проектирования малой мощности» . 2012. п. 133.
^ Де Фогелеер, Карел; Мемми, Джерард; Жувело, Пьер; Коэльо, Фабьен (9 сентября 2013 г.). «Правило выпуклости энергии/частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].
^ Су, Чинг-Лун; Цуй, Чи-Ин; Деспейн, Элвин М. (1994). Методы проектирования и компиляции архитектуры малой мощности для высокопроизводительных процессоров (PDF) (Отчет). Лаборатория передовой компьютерной архитектуры. АКАЛ-ТР-94-01.
^ Басу, К.; Чоудхари, А.; Пишарат, Дж.; Кандемир, М. (2002). «Протокол питания: уменьшение рассеиваемой мощности на внешних шинах данных». 35-й ежегодный международный симпозиум IEEE/ACM по микроархитектуре, 2002 г. (MICRO-35). Материалы (PDF) . стр. 345–355. CiteSeerX 10.1.1.115.9946 . дои : 10.1109/MICRO.2002.1176262 . ISBN 978-0-7695-1859-6 . S2CID 18811466 .
^ К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер (сентябрь 2008 г.). «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». Труды АСМ по автоматизации проектирования электронных систем . 13 (4): 1–17. дои : 10.1145/1391962.1391973 . S2CID 18895687 .
^ Аль-Хатиб, Заид; Абди, Самар (13 апреля 2015 г.). «Моделирование динамического энергопотребления программных процессоров в FPGA на основе значений операндов». Прикладные реконфигурируемые вычисления . Конспекты лекций по информатике. Том. 9040. Спрингер, Чам. стр. 65–76. дои : 10.1007/978-3-319-16214-0_6 . ISBN 978-3-319-16213-3 .
^ Саттер, Херб (2005). «Бесплатный обед окончен: фундаментальный поворот в сторону параллелизма в программном обеспечении» . Журнал доктора Добба . 30 (3).
^ Джонсон, Р. Колин (18 августа 2011 г.). «IBM демонстрирует когнитивные компьютерные чипы» . ЭЭ Таймс . Проверено 1 октября 2011 г.
^ «Часто задаваемые вопросы о температуре процессоров Intel®» .

Дальнейшее чтение

Вейк, Мартин Х. (1955). «Обзор отечественных электронных цифровых вычислительных систем» . Лаборатории баллистических исследований. Номер отчета. 971. Управление технических служб Министерства торговли США. hdl : 2027/wu.89037555299 . Архивировано из оригинала 9 января 2006 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
http://developer.intel.com/design/itanium2/documentation.htm#datasheets
http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm
http://www.intel.com/design/mobile/datashts/24297301.pdf
http://www.intel.com/design/intarch/prodbref/27331106.pdf
http://www.via.com.tw/en/products/processors/c7-d/
https://web.archive.org/web/20090216190358/http://mbsg.intel.com/mbsg/glossary.aspx
http://download.intel.com/design/Xeon/datashts/25213506.pdf
http://www.intel.com/Assets/en_US/PDF/datasheet/313079.pdf , стр. 12
http://support.amd.com/us/Processor_TechDocs/43374.pdf , страницы 10 и 80.

Внешние ссылки

Справочник по ЦП для всех производителей. Узел процесса, размер кристалла, скорость, мощность, набор команд и т. д.
Электрические характеристики процессора
SizingLounge – онлайн-инструмент расчета затрат на электроэнергию для серверов
Спецификации процессоров Intel
Making x86 Run Cool , 15 апреля 2001 г., Пол ДеМоун

[1] Чжан, Ифань, Чжуан, Ли; Чжао, Ли, Цюнь. Исследование Microsoft.

[2] Катресс, Ян (23 апреля 2012 г.). «Андервольтинг и разгон на Ivy Bridge» . anandtech.com .

[3] Чин, Майк (15 июня 2004 г.). «Athlon 64 — тихая мощность» . www.silentpcreview.com . п. 3 . Проверено 21 декабря 2013 г. Расчетная тепловая мощность (TDP) должна использоваться для целей проектирования теплового решения процессора. TDP — это не максимальная мощность, которую может рассеивать процессор.

[4] Каннингем, Эндрю (14 января 2013 г.). «Технические детали 7-ваттных процессоров Intel Ivy Bridge» . Арс Техника . Проверено 14 января 2013 г. В случае с Intel, TDP указанного чипа не столько связан с количеством энергии, которую чип должен использовать (или может использовать), сколько с количеством энергии, которую вентилятор и радиатор компьютера должны быть в состоянии рассеивать, пока чип находится под постоянной нагрузкой. Фактическое энергопотребление может быть выше или (намного) ниже TDP, но эта цифра предназначена для того, чтобы дать рекомендации инженерам, разрабатывающим решения для охлаждения своих продуктов.

[5] «Усовершенствованная технология Intel SpeedStep для процессора Intel Pentium M (информационный документ)» (PDF) . Корпорация Интел . Март 2004 г. Архивировано (PDF) из оригинала 12 августа 2015 г. Проверено 21 декабря 2013 г.

[6] Ян М. Рабай; Масуд Педрам; редакторы. «Методологии проектирования малой мощности» . 2012. п. 133.

[7] Де Фогелеер, Карел; Мемми, Джерард; Жувело, Пьер; Коэльо, Фабьен (9 сентября 2013 г.). «Правило выпуклости энергии/частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].

[8] Су, Чинг-Лун; Цуй, Чи-Ин; Деспейн, Элвин М. (1994). Методы проектирования и компиляции архитектуры малой мощности для высокопроизводительных процессоров (PDF) (Отчет). Лаборатория передовой компьютерной архитектуры. АКАЛ-ТР-94-01.

[9] Басу, К.; Чоудхари, А.; Пишарат, Дж.; Кандемир, М. (2002). «Протокол питания: уменьшение рассеиваемой мощности на внешних шинах данных». 35-й ежегодный международный симпозиум IEEE/ACM по микроархитектуре, 2002 г. (MICRO-35). Материалы (PDF) . стр. 345–355. CiteSeerX 10.1.1.115.9946 . дои : 10.1109/MICRO.2002.1176262 . ISBN 978-0-7695-1859-6 . S2CID 18811466 .

[ActivityFactor-10] К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер (сентябрь 2008 г.). «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». Труды АСМ по автоматизации проектирования электронных систем . 13 (4): 1–17. дои : 10.1145/1391962.1391973 . S2CID 18895687 .

[11] Аль-Хатиб, Заид; Абди, Самар (13 апреля 2015 г.). «Моделирование динамического энергопотребления программных процессоров в FPGA на основе значений операндов». Прикладные реконфигурируемые вычисления . Конспекты лекций по информатике. Том. 9040. Спрингер, Чам. стр. 65–76. дои : 10.1007/978-3-319-16214-0_6 . ISBN 978-3-319-16213-3 .

[12] Саттер, Херб (2005). «Бесплатный обед окончен: фундаментальный поворот в сторону параллелизма в программном обеспечении» . Журнал доктора Добба . 30 (3).

[13] Джонсон, Р. Колин (18 августа 2011 г.). «IBM демонстрирует когнитивные компьютерные чипы» . ЭЭ Таймс . Проверено 1 октября 2011 г.

[14] «Часто задаваемые вопросы о температуре процессоров Intel®» .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]