Verlustleistung des Prozessors - Processor power dissipation

Die Verlustleistung des Prozessors oder die Verlustleistung der Verarbeitungseinheit ist der Vorgang, bei dem Computerprozessoren elektrische Energie verbrauchen und diese Energie in Form von Wärme aufgrund des Widerstands in den elektronischen Schaltungen abführen .

Energieverwaltung

Siehe auch: Variable TDP

Das Entwerfen von CPUs, die Aufgaben effizient ausführen, ohne zu überhitzen, ist bis heute ein wichtiges Anliegen fast aller CPU-Hersteller. Früher mit Vakuumröhren implementierte CPUs verbrauchten in der Vergangenheit Strom in der Größenordnung von vielen Kilowatt . Aktuelle CPUs in Allzweck- Personalcomputern , wie Desktops und Laptops , verbrauchen Energie in der Größenordnung von mehreren zehn bis hundert Watt. Einige andere CPU-Implementierungen verbrauchen sehr wenig Strom; Beispielsweise verbrauchen die CPUs in Mobiltelefonen oft nur wenige Watt Strom, während einige Mikrocontroller in eingebetteten Systemen nur wenige Milliwatt oder sogar nur wenige Mikrowatt verbrauchen.

Es gibt eine Reihe von technischen Gründen für dieses Muster:

  • Für ein bestimmtes Gerät kann der Betrieb mit einer höheren Taktrate mehr Leistung erfordern. Eine Reduzierung der Taktrate oder ein Undervolting reduziert in der Regel den Energieverbrauch; es ist auch möglich, den Mikroprozessor unterzuspannen, während die Taktrate gleich bleibt.
  • Neue Funktionen erfordern im Allgemeinen mehr Transistoren , von denen jeder Strom verbraucht. Das Abschalten ungenutzter Bereiche spart Energie, beispielsweise durch Clock-Gating .
  • Wenn das Design eines Prozessormodells ausgereift ist, können kleinere Transistoren, Strukturen mit niedrigerer Spannung und Designerfahrung den Energieverbrauch reduzieren.

Prozessorhersteller geben normalerweise zwei Stromverbrauchszahlen für eine CPU heraus:

  • typische thermische Leistung , die unter normaler Last gemessen wird. (zum Beispiel AMDs durchschnittliche CPU-Leistung )
  • maximale thermische Leistung , die unter einer Worst-Case-Last gemessen wird

Zum Beispiel hat der Pentium 4 2,8 GHz eine typische thermische Leistung von 68,4 W und eine maximale thermische Leistung von 85 W. Wenn die CPU im Leerlauf ist, verbraucht sie weit weniger als die typische Wärmeleistung. Datenblätter enthalten normalerweise die Thermal Design Power (TDP), die die maximale von der CPU erzeugte Wärmemenge ist , die das Kühlsystem in einem Computer abführen muss . Sowohl Intel als auch Advanced Micro Devices (AMD) haben TDP als maximale Wärmeentwicklung für thermisch signifikante Zeiträume definiert, während im schlimmsten Fall nicht synthetische Workloads ausgeführt werden; Daher spiegelt die TDP nicht die tatsächliche maximale Leistung des Prozessors wider. Dies stellt sicher, dass der Computer im Wesentlichen alle Anwendungen bewältigen kann, ohne seinen thermischen Bereich zu überschreiten oder ein Kühlsystem für die maximale theoretische Leistung zu benötigen (was mehr kosten würde, aber zu Gunsten des zusätzlichen Spielraums für die Rechenleistung).

In vielen Anwendungen sind die CPU und andere Komponenten die meiste Zeit im Leerlauf, sodass die Leerlaufleistung erheblich zum Gesamtstromverbrauch des Systems beiträgt. Wenn die CPU Anwendungen Power - Management - Funktionen Energieverbrauch, andere Komponenten, wie das Motherboard und Chipsatz, nimmt einen größeren Anteil des Computers Energie zu reduzieren. Bei Anwendungen, bei denen der Computer oft stark belastet wird, wie z. B. im wissenschaftlichen Rechnen, wird die Leistung pro Watt (wie viel Rechenleistung die CPU pro Energieeinheit leistet) wichtiger.

CPUs verbrauchen normalerweise einen erheblichen Teil der vom Computer verbrauchten Energie . Andere Hauptanwendungen sind schnelle Grafikkarten , die Grafikprozessoren enthalten , und Netzteile . Bei Laptops verbraucht auch die Hintergrundbeleuchtung des LCD einen erheblichen Teil der Gesamtleistung. Während in Personalcomputern Energiesparfunktionen für den Ruhezustand eingeführt wurden, ist der Gesamtverbrauch heutiger Hochleistungs-CPUs beträchtlich. Dies steht in starkem Kontrast zu dem viel geringeren Energieverbrauch von CPUs, die für Geräte mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurden.

Quellen

Es gibt mehrere Faktoren, die zum Stromverbrauch der CPU beitragen; Dazu gehören dynamische Leistungsaufnahme, Kurzschlussleistungsaufnahme und Leistungsverlust aufgrund von Transistor-Leckströmen :

Der dynamische Stromverbrauch entsteht durch die Aktivität von Logikgattern innerhalb einer CPU. Wenn die Logikgatter umschalten, fließt Energie, während die Kondensatoren in ihnen geladen und entladen werden. Die von einer CPU verbrauchte dynamische Leistung ist ungefähr proportional zur CPU-Frequenz und zum Quadrat der CPU-Spannung:

wobei C die geschaltete Lastkapazität ist, f die Frequenz ist, V die Spannung ist.

Wenn Logikgatter umschalten, können einige Transistoren im Inneren ihren Zustand ändern. Da dies nur eine begrenzte Zeit dauert, kann es vorkommen, dass einige Transistoren für sehr kurze Zeit gleichzeitig leiten. Ein direkter Pfad zwischen Quelle und Masse führt dann zu einem gewissen Kurzschlussleistungsverlust ( ). Die Größe dieser Leistung hängt vom Logikgatter ab und ist auf Makroebene ziemlich komplex zu modellieren.

Der Stromverbrauch aufgrund von Leckstrom ( ) tritt bei Transistoren auf einer Mikroebene auf. Zwischen den unterschiedlich dotierten Teilen des Transistors fließen immer kleine Ströme. Die Größe dieser Ströme hängt vom Zustand des Transistors, seinen Abmessungen, physikalischen Eigenschaften und manchmal der Temperatur ab. Die Gesamtmenge der Leckströme neigt dazu, sich bei steigender Temperatur und abnehmenden Transistorgrößen aufzublähen.

Sowohl der dynamische als auch der Kurzschlussstromverbrauch sind von der Taktfrequenz abhängig, während der Leckstrom von der CPU-Versorgungsspannung abhängt. Es hat sich gezeigt, dass der Energieverbrauch eines Programms ein konvexes Energieverhalten zeigt, was bedeutet, dass es eine optimale CPU-Frequenz gibt, bei der der Energieverbrauch für die geleistete Arbeit minimal ist.

Die Ermäßigung

Der Stromverbrauch kann auf verschiedene Weise reduziert werden, einschließlich der folgenden:

  • Spannungsreduzierung – Dual-Voltage-CPUs , dynamische Spannungsskalierung , Unterspannung usw.
  • Frequenzreduzierung – Untertaktung , dynamische Frequenzskalierung usw.
  • Kapazitätsreduzierung – zunehmend integrierte Schaltkreise , die PCB-Leiterbahnen zwischen zwei Chips durch eine On-Chip-Metallverbindung mit relativ geringer Kapazität zwischen zwei Abschnitten eines einzelnen integrierten Chips ersetzen; Low-k-Dielektrikum usw.
  • Power-Gating- Techniken wie Takt-Gating und global asynchron lokal synchron , die man sich vorstellen kann, die bei jedem Takt-Tick geschaltete Kapazität zu reduzieren, oder man kann sich vorstellen, die Taktfrequenz in einigen Abschnitten des Chips lokal zu reduzieren.
  • Anzahl der Übergänge die CPU Laufwerke in Off-Chip - Datenbus, wie beispielsweise nicht gemultiplexten - verschiedene Techniken , um die Schaltaktivität zu reduzieren Adreßbus , Bus , codierend wie Gray - Code - Adressierung oder Wert cache codierend wie Leistungsprotokoll. Manchmal wird ein "Aktivitätsfaktor" ( A ) in die obige Gleichung eingesetzt, um die Aktivität widerzuspiegeln.
  • Aufopferung der Transistordichte für höhere Frequenzen.
  • Schichtung von Wärmeleitzonen innerhalb des CPU-Rahmens ("Christmassing the Gate").
  • Recyceln Sie zumindest einen Teil der in den Kondensatoren gespeicherten Energie (anstatt sie als Wärme in Transistoren abzuleiten) – adiabatische Schaltung , Energierückgewinnungslogik usw.
  • Optimieren des Maschinencodes – Durch die Implementierung von Compileroptimierungen, die Befehlscluster unter Verwendung gemeinsamer Komponenten planen , kann die zum Ausführen einer Anwendung verwendete CPU-Leistung erheblich reduziert werden.

Taktfrequenzen und Multi-Core-Chipdesigns

In der Vergangenheit lieferten Prozessorhersteller durchweg höhere Taktraten und Parallelität auf Befehlsebene , sodass Single-Thread-Code auf neueren Prozessoren ohne Modifikation schneller ausgeführt werden konnte. In jüngerer Zeit bevorzugen Prozessorhersteller Multi-Core- Chip-Designs, um die CPU-Verlustleistung zu verwalten , daher muss Software in einer Multi-Thread- oder Multi-Prozess-Weise geschrieben werden, um den vollen Vorteil dieser Hardware zu nutzen. Viele Multithread-Entwicklungsparadigmen führen zu einem Overhead und werden im Vergleich zur Anzahl der Prozessoren keinen linearen Geschwindigkeitsanstieg feststellen. Dies gilt insbesondere beim Zugriff auf gemeinsam genutzte oder abhängige Ressourcen aufgrund von Sperrkonflikten . Dieser Effekt wird mit zunehmender Anzahl von Prozessoren deutlicher.

In letzter Zeit hat IBM Möglichkeiten untersucht, die Rechenleistung effizienter zu verteilen, indem die Verteilungseigenschaften des menschlichen Gehirns nachgeahmt werden.

Überhitzung des Prozessors

Der Prozessor kann durch Überhitzung beschädigt werden, aber die Hersteller schützen die Prozessoren mit betrieblichen Sicherheitsvorkehrungen wie Drosselung und automatischem Herunterfahren. Wenn ein Kern die eingestellte Drosseltemperatur überschreitet, können Prozessoren die Leistung reduzieren, um ein sicheres Temperaturniveau aufrechtzuerhalten, und wenn der Prozessor durch Drosselungsaktionen keine sichere Betriebstemperatur aufrechterhalten kann, wird er automatisch heruntergefahren, um dauerhafte Schäden zu vermeiden.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links