Ztráta výkonu procesoru - Processor power dissipation

Ztrátový výkon procesoru nebo ztrátový výkon procesní jednotky je proces, při kterém počítačové procesory spotřebovávají elektrickou energii a tuto energii rozptylují ve formě tepla v důsledku odporu v elektronických obvodech .

Řízení spotřeby

Viz také: Variabilní TDP

Navrhování procesorů, které provádějí úkoly efektivně bez přehřátí, je hlavním hlediskem téměř všech dosavadních výrobců procesorů. Historicky časné CPU implementované s elektronkami spotřebovávaly energii v řádu mnoha kilowattů . Současné CPU v běžných osobních počítačích , jako jsou stolní počítače a notebooky , spotřebovávají energii řádově v řádu desítek až stovek wattů. Některé další implementace CPU používají velmi málo energie; například CPU v mobilních telefonech často spotřebovávají jen několik wattů elektřiny, zatímco některé mikrokontroléry používané ve vestavěných systémech mohou spotřebovat jen několik milliwattů nebo dokonce jen několik mikrowattů.

Existuje mnoho technických důvodů pro tento vzorec:

  • U daného zařízení může provoz při vyšší frekvenci hodin vyžadovat více energie. Snížení hodinové frekvence nebo podpětí obvykle snižuje spotřebu energie; je také možné podpodporovat mikroprocesor při zachování stejné taktovací frekvence.
  • Nové funkce obecně vyžadují více tranzistorů , z nichž každý využívá energii. Vypnutí nevyužitých oblastí šetří energii, například pomocí hradlování hodin .
  • Jak design modelu procesoru dospívá, mohou menší tranzistory, struktury s nízkým napětím a zkušenosti s designem snížit spotřebu energie.

Výrobci procesorů obvykle vydávají dvě čísla spotřeby energie pro CPU:

  • typický tepelný výkon , který se měří při normálním zatížení. (například průměrný výkon procesoru AMD )
  • maximální tepelný výkon , který se měří při nejhorším zatížení

Například Pentium 4 2,8 GHz má 68,4 W typický tepelný výkon a 85 W maximální tepelný výkon. Když je CPU nečinný, bude čerpat mnohem méně než typický tepelný výkon. Datové listy obvykle obsahují tepelný návrhový výkon (TDP), což je maximální množství tepla generovaného CPU, které je chladicí systém v počítači potřebný k rozptýlení . Jak Intel, tak i Advanced Micro Devices (AMD) definovaly TDP jako maximální generování tepla pro tepelně významná období, při běhu nejhorších nesyntetických pracovních zátěží; TDP tedy neodráží skutečný maximální výkon procesoru. Tím je zajištěno, že počítač bude schopen zpracovat v podstatě všechny aplikace, aniž by překročil svou tepelnou obálku nebo vyžadoval chladicí systém pro maximální teoretický výkon (což by stálo více, ale ve prospěch extra světlého prostoru pro výpočetní výkon).

V mnoha aplikacích jsou CPU a další komponenty většinu času nečinné, takže nečinný výkon významně přispívá k celkovému využití energie systému. Když CPU využívá funkce řízení spotřeby ke snížení spotřeby energie, ostatní komponenty, jako je základní deska a čipová sada, odebírají větší část energie počítače. V aplikacích, kde je počítač často silně zatěžován, jako jsou vědecké výpočty, se stává výkon na watt (kolik výpočetního výkonu CPU na jednotku energie dělá) významnější.

CPU obvykle používají významnou část energie spotřebované počítačem . Mezi další hlavní použití patří rychlé grafické karty , které obsahují grafické procesorové jednotky , a napájecí zdroje . U notebooků využívá podsvícení LCD také významnou část celkového výkonu. Zatímco v osobních počítačích byly zavedeny funkce pro úsporu energie, když jsou nečinné, celková spotřeba dnešních vysoce výkonných procesorů je značná. To je v silném kontrastu s mnohem nižší spotřebou energie procesorů určených pro zařízení s nízkou spotřebou energie.

Zdroje

Existuje několik faktorů přispívajících ke spotřebě energie procesoru; zahrnují dynamickou spotřebu energie, zkratovou spotřebu energie a ztrátu energie v důsledku svodových proudů tranzistoru :

Dynamická spotřeba energie pochází z činnosti logických bran uvnitř CPU. Když se logické brány přepnou, teče energie, protože kondenzátory v nich jsou nabité a vybité. Dynamický výkon spotřebovaný CPU je přibližně úměrný frekvenci CPU a druhé mocnině napětí CPU:

kde C je spínaná zátěžová kapacita, f je frekvence, V je napětí.

Když se logické brány přepínají, některé tranzistory uvnitř mohou změnit stavy. Protože to trvá konečně, může se stát, že po velmi krátkou dobu budou některé tranzistory současně. Přímá cesta mezi zdrojem a zemí pak vede ke ztrátě zkratu ( ). Velikost této síly závisí na logické bráně a je poměrně složité ji modelovat na makro úrovni.

Spotřeba energie v důsledku unikající energie ( ) vyzařuje na mikroúrovni v tranzistorech. Mezi různými dopovanými částmi tranzistoru vždy proudí malé množství proudů. Velikost těchto proudů závisí na stavu tranzistoru, jeho rozměrech, fyzikálních vlastnostech a někdy i teplotě. Celkové množství svodových proudů má tendenci se nafouknout pro zvýšení teploty a zmenšení velikosti tranzistoru.

Dynamická i zkratová spotřeba energie závisí na hodinové frekvenci, zatímco svodový proud závisí na napájecím napětí procesoru. Ukázalo se, že spotřeba energie programu vykazuje konvexní chování energie, což znamená, že existuje optimální frekvence CPU, při které je spotřeba energie pro vykonanou práci minimální.

Snížení

Spotřebu energie lze snížit několika způsoby, včetně následujících:

Taktovací frekvence a návrhy vícejádrových čipů

Historicky výrobci procesorů důsledně dodávali zvýšení taktovacích frekvencí a paralelismu na úrovni instrukcí , takže jednovláknový kód byl na novějších procesorech prováděn rychleji bez jakékoli úpravy. V poslední době výrobci procesorů upřednostňují návrhy vícejádrových čipů , aby mohli řídit rozptýlení výkonu procesoru , takže software musí být napsán vícevláknovým nebo víceprocesovým způsobem, aby bylo možné plně využít výhod takového hardwaru. Mnoho vícevláknových vývojových paradigmat zavádí režii a neuvidí lineární zvýšení rychlosti ve srovnání s počtem procesorů. To platí zejména při přístupu ke sdíleným nebo závislým zdrojům kvůli konfliktu zámku . Tento efekt je patrnější, jak se zvyšuje počet procesorů.

V poslední době IBM zkoumala způsoby, jak efektivněji distribuovat výpočetní výkon napodobováním distribučních vlastností lidského mozku.

Přehřátí procesoru

Procesor může být poškozen přehřátím, ale prodejci chrání procesory provozními zárukami, jako je škrcení a automatické vypnutí. Když jádro překročí nastavenou teplotu škrticí klapky, procesory mohou snížit výkon, aby udržovaly bezpečnou úroveň teploty, a pokud procesor není schopen udržovat bezpečnou provozní teplotu škrcením, automaticky se vypne, aby nedošlo k trvalému poškození.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy