Войти
Рассеивание мощности центрального процессора или Рассеивание мощности ЦП - это процесс, в котором центральные процессоры (ЦП) потребляют электрическую энергию и рассеивают эту энергию в виде тепла за счет сопротивления в электронном схемы.
Проектирование процессоров, которые выполняют задачи эффективно без перегрева, является основным соображением почти всех Производители процессоров на сегодняшний день. Некоторые реализации ЦП потребляют очень мало энергии; например, процессоры в мобильных телефонах часто используют всего несколько ватт электроэнергии, в то время как некоторые микроконтроллеры, используемые во встроенных системах, могут потреблять всего несколько милливатт или даже несколько микроватт. Для сравнения: ЦП в персональных компьютерах общего назначения, таких как настольные компьютеры и портативные компьютеры, рассеивают значительно больше энергии из-за их более высокой сложности и скорости. Эти микроэлектронные процессоры могут потреблять мощность порядка десятков или даже сотен ватт. Исторически ранние процессоры, реализованные с использованием электронных ламп, потребляли мощность порядка многих киловатт.
ЦП для настольных компьютеров обычно использовали значительную часть энергии, потребляемой компьютером. Другие основные области применения включают быстрые видеокарты, которые содержат графические процессоры и блоки питания. В ноутбуках подсветка LCD также потребляет значительную часть общей мощности. В то время как функции энергосбережения были внедрены в персональных компьютерах, когда они простаивают, общее потребление современных высокопроизводительных процессоров является значительным. Это резко контрастирует с гораздо более низким энергопотреблением процессоров, разработанных для устройств с низким энергопотреблением. Один из таких ЦП, Intel XScale, может работать на частоте 600 МГц, потребляя менее 1 Вт энергии, тогда как процессоры Intel x86 для ПК в той же группе производительности потребляют в несколько раз больше энергии.
У этого шаблона есть некоторые инженерные причины.
Производители процессоров обычно выделяют два источника питания цифры потребления ЦП:
Например, Pentium 4 2,8 ГГц имеет типичную тепловую мощность 68,4 Вт и максимальную тепловую мощность 85 Вт. Когда ЦП находится в режиме ожидания, он потребляет намного меньше, чем типичная тепловая мощность. Таблицы данных обычно содержат расчетную тепловую мощность (TDP), которая является максимальной величиной тепло, генерируемое ЦП, которое система охлаждения в компьютере должна рассеивать. И Intel, и Advanced Micro Devices (AMD) определили TDP - это 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 превышая его тепловой конверт, или требуется система охлаждения для максимальной теоретической мощности (что будет стоить больше, но в пользу дополнительных запас для вычислительной мощности).
Во многих приложениях ЦП и другие компоненты большую часть времени простаивают, поэтому мощность в режиме ожидания значительно влияет на 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 загружен, таких как научные вычисления, производительность на ватт (сколько вычислений CPU выполняет на единицу энергии) становится более значимой.
Есть несколько факторов, влияющих на энергопотребление ЦП; они включают динамическое энергопотребление, потребляемую мощность при коротком замыкании и потери мощности из-за токов 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:
где C - это коммутируемая емкость нагрузки, f - частота, а V - напряжение.
При переключении логических вентилей некоторые транзисторы внутри могут менять 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 возникает в транзисторах на микроуровне. 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 ЦП. Было показано, что энергопотребление программы демонстрирует выпуклое энергопотребление, что означает, что существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально.
Энергопотребление можно снизить в несколькими способами, включая следующие:
Исторически производители процессоров постоянно увеличивали тактовые частоты и параллелизм на уровне команд, так что однопоточный код выполняется быстрее на новых процессорах без каких-либо изменений. В последнее время производители процессоров отдают предпочтение многоядерным схемам микросхем, чтобы управлять рассеянием мощности ЦП, поэтому программное обеспечение должно быть написано в многопоточном или многопроцессорном стиле, чтобы полное преимущество такого оборудования. 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 разделяемым или зависимым ресурсам из-за конкуренции блокировка. 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.
Процессор может быть поврежден из-за перегрева, но поставщики защищают процессоры с помощью мер безопасности, таких как дросселирование и автоматическое отключение. Когда температура ядра превышает установленную температуру дроссельной заслонки, процессоры могут снижать мощность для поддержания безопасного уровня температуры, и если процессор не может поддерживать безопасную рабочую температуру посредством дросселирования, он автоматически отключается, чтобы предотвратить необратимое повреждение.
Портал электроники 
| journal =()