Ztráta výkonu procesoru - CPU power dissipation

Ztráta výkonu procesoru nebo ztrátový výkon procesní jednotky je proces, ve kterém počítačové procesory konzumovat elektrická energie a rozptýlit tuto energii ve formě teplo v důsledku odpor v elektronické obvody.

Řízení spotřeby

Viz také: Variabilní TDP

Navrhování procesorů, které provádějí úkoly efektivně bez přehřátí je hlavní pozornost téměř všech dosavadních výrobců CPU. Některé implementace CPU používají velmi málo energie; například CPU v mobilní telefony často používají jen několik wattů elektřiny,[1] zatímco někteří mikrokontroléry použito v vestavěné systémy může spotřebovat jen několik milliwattů nebo dokonce jen několik mikrowattů. Ve srovnání s CPU pro všeobecné použití osobní počítače, jako pracovní plochy a notebooky, rozptýlit podstatně více energie kvůli jejich vyšší složitosti a rychlosti. Tyto mikroelektronické procesory mohou spotřebovávat energii v řádu desítek wattů nebo dokonce stovek wattů. Historicky, časné CPU implementovány s vakuové trubky spotřebovali energii v řádu mnoha kilowattů.

CPU pro stolní počítače obvykle využívají významnou část energie spotřebované procesorem počítač. Mezi další hlavní použití patří rychlé grafické karty, které obsahují jednotky grafického zpracování,[2] a zásoby energie. V noteboocích LCD Podsvícení také využívá významnou část celkového výkonu. Zatímco funkce pro úsporu energie byly zavedeny v osobních počítačích, když jsou nečinné, je celková spotřeba dnešních vysoce výkonných procesorů značná. To je v silném kontrastu s mnohem nižší spotřebou energie procesorů určených pro zařízení s nízkou spotřebou energie. Jeden takový CPU, Intel XScale, může běžet na 600MHz spotřebovává méně než 1 W energie, zatímco Intel x86 PC procesory ve stejné výkonové třídě spotřebují několikrát více energie.

Tento vzorec má určité technické důvody.

  • U daného zařízení pracuje vyšší rychlost hodin může vyžadovat více energie. Snížení frekvence hodin nebo podpůrné obvykle snižuje spotřebu energie; je také možné podpodporovat mikroprocesor při zachování stejné taktovací frekvence.[3]
  • Nové funkce obecně vyžadují více tranzistory, z nichž každý používá energii. Vypnutí nepoužívaných oblastí šetří energii, například průchodem hradlo 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:

  • typická tepelná síla, která se měří při normálním zatížení. (například AMD Průměrný výkon procesoru )
  • maximální tepelný výkon, která 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 normálně obsahují tepelný návrhový výkon (TDP), což je maximální částka teplo generované CPU, které chladící systém v počítači je vyžadováno rozptýlit. Intel i Pokročilá mikro zařízení (AMD) definovali TDP jako maximální generování tepla pro tepelně významná období, zatímco běží nejhorší nesyntetická pracovní zátěž; 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 výkon zpracování).[4][5]

V mnoha aplikacích jsou CPU a další komponenty většinu času nečinné, takže nečinný výkon významně přispívá k celkovému využití energie systému. Když CPU používá řízení spotřeby funkce ke snížení spotřeby energie, jiné součásti, jako je základní deska a čipová sada, zabírají větší část energie počítače. V aplikacích, kde je počítač často silně zatížen, jako jsou vědecké výpočty, výkon na watt (kolik výpočetního procesoru provede jednotka na jednotku energie) se stává významnějším.

Zdroje

Existuje několik faktorů přispívajících ke spotřebě energie CPU; zahrnují dynamickou spotřebu energie, zkratovou spotřebu energie a ztrátu energie v důsledku svodové proudy 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:[6]

kde C je spínaná zátěžová kapacita, F je frekvence, PROTI je napětí.[7]

Při přepínání logických bran mohou některé tranzistory uvnitř změnit stavy. Jelikož to trvá konečně, může se stát, že po velmi krátkou dobu některé tranzistory vedou 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 únikové 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 minimální pro vykonanou práci.[8]

Snížení

Spotřebu energie lze snížit několika způsoby,[Citace je zapotřebí ] včetně následujících:

Taktovací frekvence a návrhy vícejádrových čipů

Výrobci procesorů historicky neustále zvyšovali hodinové sazby a paralelismus na úrovni instrukcí, takže se jednovláknový kód na novějších procesorech bez modifikace provedl rychleji.[13] V poslední době výrobci procesorů upřednostňují správu ztrát energie CPU vícejádrový návrhy čipů, takže software musí být napsán v vícevláknové nebo víceprocesovým způsobem, jak plně využít výhod takového hardwaru. Mnoho vývojových paradigmat s více vlákny zavádí režii a ve srovnání s počtem procesorů neuvidí lineární zvýšení rychlosti. To platí zejména při přístupu ke sdíleným nebo závislým zdrojům, kvůli zámek tvrzení. 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.[14]

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 prostřednictvím akce škrcení, automaticky se vypne, aby nedošlo k trvalému poškození. [15]

Viz také

Reference

  1. ^ Zhang, Yifan; Liu, Yunxin; Zhuang, Li; Liu, Xuanzhe; Zhao, Feng; Li, Qun. Přesné modelování výkonu procesoru pro vícejádrové smartphony (Zpráva). Microsoft Research. MSR-TR-2015-9.
  2. ^ Mittal, Sparsh; Vetter, Jeffrey S. (2014). „Přehled metod pro analýzu a zlepšení energetické účinnosti GPU“. ACM Computing Surveys. 47 (2): 1–23. arXiv:1404.4629. doi:10.1145/2636342.
  3. ^ Cutress, Ian (2012-04-23). „Undervolting and Overclocking on Ivy Bridge“. anandtech.com.
  4. ^ Chin, Mike (15. 06. 2004). „Athlon 64 pro tichou sílu“. silentpcreview.com. str. 3. Citováno 2013-12-21. Thermal Design Power (TDP) by měl být použit pro cíle návrhu tepelného řešení procesoru. TDP není maximální výkon, který může procesor rozptýlit.
  5. ^ Cunningham, Andrew (14.01.2013). „Technické podrobnosti za 7 Watt Ivy Bridge procesory Intel“. Ars Technica. Citováno 2013-01-14. V případě Intelu má TDP specifikovaného čipu méně společného s množstvím energie, kterou čip potřebuje k použití (nebo může použít), a více co do činění s množstvím energie, kterou musí být schopen ventilátor a chladič počítače rozptýlit, zatímco čip je pod trvalým zatížením. Skutečné využití energie může být vyšší nebo (mnohem) nižší než TDP, ale toto číslo má poskytnout vodítko konstruktérům, kteří navrhují řešení chlazení pro své výrobky.
  6. ^ „Vylepšená technologie Intel SpeedStep pro procesor Intel Pentium M (bílá kniha)“ (PDF). Intel Corporation. Březen 2004. Archivovány od originál (PDF) dne 12. 8. 2015. Citováno 2013-12-21.
  7. ^ Jan M. Rabaey; Massoud Pedram; redaktoři.„Metodiky návrhu s nízkou spotřebou“.2012.p. 133.
  8. ^ De Vogeleer, Karel; Memmi, Gerard; Jouvelot, Pierre; Coelho, Fabien (09.09.2013). „Pravidlo konvexity energie / frekvence: modelování a experimentální ověření na mobilních zařízeních“. arXiv:1401.4655 [cs.OH ].
  9. ^ Su, Ching-Long; Tsui, Chi-Ying; Despain, Alvin M. (1994). Nízkoenergetický design a techniky kompilace pro vysoce výkonné procesory (PDF) (Zpráva). Laboratoř pokročilé počítačové architektury. ACAL-TR-94-01.
  10. ^ Basu, K .; Choudhary, A .; Pisharath, J .; Kandemir, M. (2002). Protokol napájení: Snížení ztrát energie na datových sběrnicích mimo čip (PDF). Sborník z 35. ročníku mezinárodního sympozia o mikroarchitektuře (MICRO). str. 345–355. CiteSeerX  10.1.1.115.9946. doi:10.1109 / MICRO.2002.1176262. ISBN  978-0-7695-1859-6.
  11. ^ K. Moiseev, A. Kolodny a S. Wimer. Msgstr "Časově orientované výkonové optimální uspořádání signálů". ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems, svazek 13, vydání 4, září 2008.
  12. ^ Al-Khatib, Zaid; Abdi, Samar (2015-04-13). Na základě hodnoty operandu založené modelování dynamické spotřeby energie měkkých procesorů v FPGA. Aplikované rekonfigurovatelné výpočty. Přednášky z informatiky. 9040. Springer, Cham. str. 65–76. doi:10.1007/978-3-319-16214-0_6. ISBN  978-3-319-16213-3.
  13. ^ Sutter, Herb (2005). „Oběd zdarma skončil: Zásadní obrat směrem k souběžnosti softwaru“. Dr. Dobb's Journal. 30 (3).
  14. ^ Johnson, R. Colin (2011-08-18). „IBM demo cognitive computer chip“. EE Times. Citováno 2011-10-01.
  15. ^ „Často kladené dotazy týkající se teploty procesorů Intel®“.

Další čtení

externí odkazy