Dlaczego działające procesory mocniej zużywają więcej energii elektrycznej?

W mgle czasu, kiedy zacząłem kodować, przynajmniej o ile mi wiadomo, wszystkie procesory zużywały stałą moc. Nie było czegoś takiego jak „bezczynność” procesora.

Obecnie istnieją różnego rodzaju technologie zmniejszające zużycie energii, gdy procesor nie jest bardzo zajęty, głównie poprzez dynamiczne zmniejszanie częstotliwości taktowania.

Moje pytanie brzmi: dlaczego praca z niższą częstotliwością taktowania zużywa mniej energii?

Moje wyobrażenie o procesorze przedstawia napięcie odniesienia (powiedzmy 5 V) reprezentujące układ binarny 1, a 0 V reprezentujący 0. Dlatego mam tendencję do myślenia o stałej wartości 5 V przykładanej w całym układzie, z różnymi bramkami logicznymi rozłączającymi to napięcie gdy „wyłączone”, oznacza to, że używana jest stała ilość mocy. Szybkość włączania i wyłączania tych bramek wydaje się nie mieć związku z zużytą mocą.

Nie mam wątpliwości, że to beznadziejnie naiwny obraz, ale nie jestem inżynierem elektrykiem. Czy ktoś może wyjaśnić, co tak naprawdę dzieje się ze skalowaniem częstotliwości i jak oszczędza energię. Czy istnieją inne sposoby wykorzystania mocy procesora w zależności od stanu? np. Czy zużywa więcej energii, jeśli więcej bram jest otwartych?

Czym różnią się procesory mobilne / małej mocy od swoich kuzynów na komputery stacjonarne? Czy są one po prostu prostsze (mniej tranzystorów?), Czy jest jakaś inna fundamentalna różnica w projekcie?

Szybkość włączania i wyłączania tych bramek wydaje się nie mieć związku z zużytą mocą.

Tutaj się mylisz. Zasadniczo każda bramka jest kondensatorem o niewiarygodnie małej pojemności. Włączanie i wyłączanie poprzez „podłączanie” i „odłączanie” napięcia przesuwa niewiarygodnie mały ładunek elektryczny do lub z bramki - właśnie dlatego działa inaczej.

A ruchomy ładunek elektryczny to prąd, który zużywa energię. Wszystkie te małe prądy z miliardów bram przełączanych miliardy razy na sekundę sumują się całkiem sporo.

Jak zauważa komentarz SK-logic, większość mocy jest naprawdę wydawana na zmianę przerzucania, a nie na stan ustalony.

W celu dynamicznego zmniejszenia są dwie główne rzeczy, które możesz zrobić IIRC.

1. jeśli całe obszary układu nie są taktowane, możesz potencjalnie całkowicie wyłączyć zasilanie tych obszarów

2. Samo drzewo zegarowe jest jednym z największych poborów mocy w systemie, głównie dlatego, że jest najszybciej przełączającą się częścią systemu. Zmniejszenie mocy w samym drzewie zegara jest więc znaczące.

Moc pobierana przez obwód elektroniczny składa się z dwóch elementów:

• wyciek, który jest mniej więcej niezależny od stałej częstotliwości i będzie zależeć od technologii i napięcia roboczego;
• moc przełączania, która zależy od częstotliwości (wynika to z ładowania i rozładowywania różnych pojemności, tranzystorów i przewodów)

Aby ograniczyć zużycie, projektanci procesorów stosują kilka technik:

• modyfikowanie częstotliwości w zależności od obciążenia (będzie to działać tylko na moc przełączania)
• zmniejszenie mocy lub nawet wyłączenie części obwodów, gdy nie są one potrzebne

Techniki te powodują, że w zależności od obciążenia, możesz być lepiej, od POV zużycia energii, albo zmniejszając częstotliwość, albo wykonując „sprint” przy pełnej prędkości, a następnie odcinając podzbiór obwodów.

Praca z niższą częstotliwością taktowania nie wpływa na energię wymaganą do wykonania określonego zadania. Może nawet zwiększyć wymaganą energię, jeśli weźmiesz pod uwagę wyciek i możesz całkowicie się wyłączyć.

Tam, gdzie niższe taktowanie oszczędza energię, możliwe jest również obniżenie napięcia roboczego. Zmniejszenie napięcia często oszczędza wystarczającą moc, aby zrekompensować potrzebę pozostawania aktywnym przez dłuższy czas.