Disipación de potencia del procesador

La disipación de potencia del procesador o la disipación de potencia de la unidad de procesamiento es el proceso en el que los procesadores de computadora consumen energía eléctrica y disipan esta energía en forma de calor debido a la resistencia en los circuitos electrónicos .

Gestión de energía

Ver también: TDP variable

El diseño de CPU que realicen tareas de manera eficiente sin sobrecalentarse es una consideración importante de casi todos los fabricantes de CPU hasta la fecha. Históricamente, las primeras CPU implementadas con tubos de vacío consumían energía del orden de muchos kilovatios . Las CPU actuales en computadoras personales de uso general , como computadoras de escritorio y portátiles , consumen energía en el orden de decenas a cientos de vatios. Algunas otras implementaciones de CPU utilizan muy poca energía; por ejemplo, las CPU de los teléfonos móviles suelen consumir solo unos pocos vatios de electricidad, ^[1] mientras que algunos microcontroladores se utilizan enlos sistemas integrados pueden consumir solo unos pocos milivatios o incluso tan solo unos pocos microvatios.

Hay varias razones de ingeniería para este patrón:

• Para un dispositivo dado, operar a una frecuencia de reloj más alta puede requerir más energía. Reducir la frecuencia del reloj o subtensión normalmente reduce el consumo de energía; También es posible bajar la tensión del microprocesador mientras se mantiene la misma frecuencia de reloj. ^[2]
• Las nuevas características generalmente requieren más transistores , cada uno de los cuales usa energía. Apagar las áreas no utilizadas ahorra energía, por ejemplo, a través de la puerta del reloj .
• A medida que madura el diseño de un modelo de procesador, los transistores más pequeños, las estructuras de menor voltaje y la experiencia en el diseño pueden reducir el consumo de energía.

Los fabricantes de procesadores suelen publicar dos números de consumo de energía para una CPU:

• potencia térmica típica , que se mide bajo carga normal. (por ejemplo, la potencia media de la CPU de AMD )
• potencia térmica máxima , que se mide en el peor de los casos de carga

Por ejemplo, el Pentium 4 a 2,8 GHz tiene una potencia térmica típica de 68,4 W y una potencia térmica máxima de 85 W. Cuando la CPU está inactiva, consumirá mucho menos que la potencia térmica típica. Las hojas de datos normalmente contienen la potencia de diseño térmico (TDP), que es la cantidad máxima de calor generada por la CPU, que el sistema de refrigeración de una computadora debe disipar . Microdispositivos Intel y avanzados(AMD) han definido TDP como la máxima generación de calor durante períodos térmicamente significativos, mientras se ejecutan cargas de trabajo no sintéticas en el peor de los casos; por lo tanto, TDP no refleja la potencia máxima real del procesador. Esto asegura que la computadora podrá manejar prácticamente todas las aplicaciones sin exceder su envolvente térmica, o requerir un sistema de enfriamiento para la máxima potencia teórica (lo que costaría más pero a favor de un margen adicional para la potencia de procesamiento). ^{[3] [4]}

En muchas aplicaciones, la CPU y otros componentes están inactivos la mayor parte del tiempo, por lo que la energía inactiva contribuye significativamente al uso general de energía del sistema. Cuando la CPU utiliza funciones de administración de energía para reducir el uso de energía, otros componentes, como la placa base y el chipset, consumen una mayor proporción de la energía de la computadora. En aplicaciones en las que la computadora suele estar muy cargada, como la informática científica, el rendimiento por vatio (cuánto cálculo hace la CPU por unidad de energía) se vuelve más significativo.

Las CPU suelen utilizar una parte importante de la energía consumida por la computadora . Otros usos importantes incluyen tarjetas de video rápidas , que contienen unidades de procesamiento de gráficos , ^[5] y fuentes de alimentación . En las computadoras portátiles, la luz de fondo de la pantalla LCD también usa una parte significativa de la energía general. Si bien se han instituido funciones de ahorro de energía en las computadoras personales para cuando están inactivas, el consumo general de las CPU de alto rendimiento actuales es considerable. Esto contrasta fuertemente con el consumo de energía mucho menor de las CPU diseñadas para dispositivos de bajo consumo.

Fuentes

Hay varios factores que contribuyen al consumo de energía de la CPU; Incluyen consumo de energía dinámico, consumo de energía de cortocircuito y pérdida de energía debido a corrientes de fuga de transistores :

${\displaystyle P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}}$

El consumo dinámico de energía se origina en la actividad de las puertas lógicas dentro de una CPU. Cuando las puertas lógicas se alternan, la energía fluye a medida que los condensadores de su interior se cargan y descargan. La potencia dinámica consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a la frecuencia de la CPU y al cuadrado del voltaje de la CPU: ^[6]

${\displaystyle P_{dyn}=CV^{2}f}$

donde C es la capacitancia de carga conmutada, f es la frecuencia, V es el voltaje. ^[7]

Cuando las puertas lógicas se alternan, algunos transistores internos pueden cambiar de estado. Como esto lleva una cantidad de tiempo finita, puede suceder que durante un período de tiempo muy breve algunos transistores estén conduciendo simultáneamente. Una ruta directa entre la fuente y la tierra da como resultado una pérdida de potencia por cortocircuito ( ). La magnitud de este poder depende de la puerta lógica y es bastante complejo de modelar a nivel macro.${\displaystyle P_{sc}}$

El consumo de energía debido a la fuga de energía ( ) emana a un nivel micro en los transistores. Siempre fluyen pequeñas cantidades de corriente entre las partes del transistor dopadas de manera diferente. La magnitud de estas corrientes depende del estado del transistor, sus dimensiones, propiedades físicas y, a veces, la temperatura. La cantidad total de corrientes de fuga tiende a inflarse para aumentar la temperatura y disminuir el tamaño de los transistores.${\displaystyle P_{leak}}$

Tanto el consumo de energía dinámico como el de cortocircuito dependen de la frecuencia del reloj, mientras que la corriente de fuga depende de la tensión de alimentación de la CPU. Se ha demostrado que el consumo de energía de un programa muestra un comportamiento energético convexo, lo que significa que existe una frecuencia de CPU óptima en la que el consumo de energía es mínimo para el trabajo realizado. ^[8]

Reducción

El consumo de energía se puede reducir de varias maneras, ^{[ cita requerida ],} incluidas las siguientes:

• Reducción de voltaje: CPU de voltaje dual , escalado dinámico de voltaje , subvoltaje , etc.
• Reducción de frecuencia: subclocking , escalado dinámico de frecuencia , etc.
• Reducción de capacitancia: circuitos cada vez más integrados que reemplazan las trazas de PCB entre dos chips con una interconexión de metal en el chip de capacitancia relativamente menor entre dos secciones de un solo chip integrado; dieléctrico de baja k , etc.
• Técnicas de activación de energía , como la sincronización del reloj y la sincronización localmente asíncrona globalmente , que se puede considerar como una reducción de la capacitancia conmutada en cada tic del reloj, o como una reducción local de la frecuencia del reloj en algunas secciones del chip.
• Varias técnicas para reducir la actividad de conmutación: número de transiciones que impulsa la CPU a buses de datos fuera del chip, como bus de direcciones no multiplexado , codificación de bus como direccionamiento de código Gray , ^[9] o codificación de caché de valor como protocolo de potencia. ^[10] A veces, se coloca un "factor de actividad" ( A ) en la ecuación anterior para reflejar la actividad. ^[11]
• Sacrificar la densidad del transistor por frecuencias más altas.
• Capa de zonas de conducción de calor dentro del marco de la CPU ("Christmassing the Gate").
• Reciclar al menos parte de esa energía almacenada en los condensadores (en lugar de disiparla como calor en los transistores): circuito adiabático , lógica de recuperación de energía, etc.
• Optimización del código de máquina: al implementar optimizaciones del compilador que programan grupos de instrucciones utilizando componentes comunes, la potencia de la CPU utilizada para ejecutar una aplicación se puede reducir significativamente. ^[12]

Frecuencias de reloj y diseños de chips de varios núcleos

Históricamente, los fabricantes de procesadores ofrecían constantemente aumentos en las velocidades de reloj y el paralelismo a nivel de instrucción , de modo que el código de un solo subproceso se ejecutaba más rápido en procesadores más nuevos sin modificaciones. ^[13] Más recientemente, para administrar la disipación de energía de la CPU, los fabricantes de procesadores favorecen los diseños de chips de múltiples núcleos , por lo que el software debe escribirse de manera multiproceso o multiproceso para aprovechar al máximo dicho hardware. Muchos paradigmas de desarrollo de subprocesos múltiples introducen gastos generales y no verán un aumento lineal en la velocidad en comparación con la cantidad de procesadores. Esto es particularmente cierto al acceder a recursos compartidos o dependientes, debido al bloqueocontención. Este efecto se hace más notorio a medida que aumenta el número de procesadores.

Recientemente, IBM ha estado explorando formas de distribuir la potencia informática de manera más eficiente imitando las propiedades de distribución del cerebro humano. ^[14]

Sobrecalentamiento del procesador

El procesador puede dañarse por sobrecalentamiento, pero los proveedores protegen a los procesadores con medidas de seguridad operativas como la regulación y el apagado automático. Cuando un núcleo excede la temperatura de aceleración establecida, los procesadores pueden reducir la energía para mantener un nivel de temperatura seguro y si el procesador no puede mantener una temperatura de funcionamiento segura mediante acciones de aceleración, se apagará automáticamente para evitar daños permanentes. ^[15]

Ver también

• Operación periférica autónoma
• Interfaz avanzada de configuración y energía (ACPI)
• Eliminación de fallas
• Computación verde
• Gestión de la energía de TI
• Lista de disipación de energía de la CPU
• Electrónica de baja potencia
• Ley de moore
• Overclocking
• Rendimiento por vatio
• Análisis de poder
• Disipación de potencia
• PowerTOP

Referencias

1. Zhang, Yifan; Liu, Yunxin; Zhuang, Li; Liu, Xuanzhe; Zhao, Feng; Li, Qun. Modelado preciso de potencia de CPU para teléfonos inteligentes multinúcleo (informe). Investigación de Microsoft. MSR-TR-2015-9.
2. Cutress, Ian (23 de abril de 2012). "Subvoltaje y overclocking en Ivy Bridge" . anandtech.com .
3. Chin, Mike (15 de junio de 2004). "Athlon 64 para un poder silencioso" . silentpcreview.com . pag. 3 . Consultado el 21 de diciembre de 2013 . La potencia de diseño térmico (TDP) debe utilizarse para los objetivos de diseño de la solución térmica del procesador. El TDP no es la potencia máxima que el procesador puede disipar.
4. Cunningham, Andrew (14 de enero de 2013). "Los detalles técnicos detrás de las CPUs Ivy Bridge de 7 vatios de Intel" . Ars Technica . Consultado el 14 de enero de 2013 . En el caso de Intel, el TDP de un chip específico tiene menos que ver con la cantidad de energía que un chip necesita usar (o puede usar) y más con la cantidad de energía que el ventilador y el disipador de calor de la computadora necesitan poder disiparse mientras el chip está bajo carga sostenida. El uso de energía real puede ser mayor o (mucho) menor que el TDP, pero la figura está destinada a brindar orientación a los ingenieros que diseñan soluciones de enfriamiento para sus productos.
5. Mittal, Sparsh; Vetter, Jeffrey S. (2014). "Una encuesta de métodos para analizar y mejorar la eficiencia energética de la GPU" . Encuestas de computación ACM . 47 (2): 1–23. arXiv : 1404,4629 . doi : 10.1145 / 2636342 .
6. "Tecnología Intel SpeedStep mejorada para el procesador Intel Pentium M (documento técnico)" (PDF) . Intel Corporation . Marzo de 2004. Archivado desde el original (PDF) el 12 de agosto de 2015 . Consultado el 21 de diciembre de 2013 .
7. Jan M. Rabaey; Massoud Pedram; editores. "Metodologías de diseño de baja potencia" . 2012. p. 133.
8. De Vogeleer, Karel; Memmi, Gerard; Jouvelot, Pierre; Coelho, Fabien (9 de septiembre de 2013). "La regla de la convexidad de energía / frecuencia: modelado y validación experimental en dispositivos móviles". arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].
9. Su, Ching-Long; Tsui, Chi-Ying; Despain, Alvin M. (1994). Técnicas de compilación y diseño de arquitectura de bajo consumo para procesadores de alto rendimiento (PDF) (Informe). Laboratorio de Arquitectura Informática Avanzada. ACAL-TR-94-01.
10. Basu, K .; Choudhary, A .; Pisharat, J .; Kandemir, M. (2002). Protocolo de energía: reducción de la disipación de energía en buses de datos fuera de chip (PDF) . Actas del 35º Simposio Internacional Anual de Microarquitectura (MICRO) . págs. 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 y S. Wimer. "Ordenación óptima de las señales según la potencia". Transacciones de ACM sobre la automatización del diseño de sistemas electrónicos, volumen 13, número 4, septiembre de 2008 .
12. Al-Khatib, Zaid; Abdi, Samar (13 de abril de 2015). Modelado basado en valores de operandos del consumo dinámico de energía de procesadores suaves en FPGA . Computación reconfigurable aplicada . Apuntes de conferencias en Ciencias de la Computación. 9040 . Springer, Cham. págs. 65–76. doi : 10.1007 / 978-3-319-16214-0_6 . ISBN 978-3-319-16213-3.
13. Sutter, Hierba (2005). "El almuerzo gratuito ha terminado: un giro fundamental hacia la concurrencia en el software" . Diario del Dr. Dobb . 30 (3).
14. Johnson, R. Colin (18 de agosto de 2011). "IBM demuestra chips informáticos cognitivos" . EE Times . Consultado el 1 de octubre de 2011 .
15. "Preguntas frecuentes sobre la temperatura para los procesadores Intel®" .

Lectura adicional

• Weik, Martin H. (1955). "Una encuesta de sistemas informáticos digitales electrónicos domésticos" . Oficina de Servicios Técnicos del Departamento de Comercio de los Estados Unidos. hdl : 2027 / wu.89037555299 . Archivado desde el original el 9 de enero de 2006.
• http://developer.intel.com/design/itanium2/documentation.htm#datasheets
• http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm
• http://www.intel.com/design/mobile/datashts/24297301.pdf
• http://www.intel.com/design/intarch/prodbref/27331106.pdf
• http://www.via.com.tw/en/products/processors/c7-d/
• https://web.archive.org/web/20090216190358/http://mbsg.intel.com/mbsg/glossary.aspx
• http://download.intel.com/design/Xeon/datashts/25213506.pdf
• http://www.intel.com/Assets/en_US/PDF/datasheet/313079.pdf , página 12
• http://support.amd.com/us/Processor_TechDocs/43374.pdf , páginas 10 y 80.

Enlaces externos

• Referencia de CPU para todos los proveedores. Nodo de proceso, tamaño de matriz, velocidad, potencia, conjunto de instrucciones, etc.
• Especificaciones eléctricas del procesador
• SizingLounge  : herramienta de cálculo en línea para los costos de energía del servidor
• Para obtener especificaciones sobre procesadores Intel
• Making x86 Run Cool , 2001-04-15, por Paul DeMone