Чому працюючі процесори складніше використовують більше електроенергії?

Ще в туманах часу, коли я почав кодувати, принаймні, наскільки мені відомо, процесори використовували фіксовану кількість енергії. Не було такого поняття, як процесор "простоював".

У наші дні існують всілякі технології зниження енергоспоживання, коли процесор не дуже зайнятий, в основному за рахунок динамічного зменшення тактової частоти.

Моє запитання: чому біг з меншою тактовою частотою використовує менше енергії?

Моя ментальна картина процесора є еталонною напругою (скажімо, 5 В), що представляє собою двійкову 1, і 0 В, що представляє 0. Тому я схильний думати про постійне застосування 5 В на всій мікросхемі, при цьому різні воріти логіки відключають цю напругу коли "вимкнено", що означає постійну кількість потужності. Швидкість, з якою ці ворота включаються та вимикаються, схоже, не має відношення до використовуваної потужності.

Я не сумніваюся, що це безнадійно наївна картина, але я не інженер-електрик. Чи може хтось пояснити, що відбувається насправді за допомогою частотного масштабування та як це економить енергію. Чи є інші способи, якими процесор використовує більшу чи меншу потужність залежно від стану? наприклад, чи використовує вона більше енергії, якщо відкрито більше воріт?

Чим відрізняються мобільні процесори / низької потужності процесори від настільних родичів? Вони просто простіші (менше транзисторів?), Чи є якась інша принципова різниця в дизайні?

Швидкість, з якою ці ворота включаються та вимикаються, схоже, не має відношення до використовуваної потужності.

Тут ви помиляєтесь. В основному кожен затвор - це конденсатор з неймовірно крихітною ємністю. Увімкнення та вимкнення його за допомогою "підключення" та "відключення" напруги переміщує неймовірно крихітний електричний заряд у ворота або назовні - ось що змушує його діяти інакше.

А рухомий електричний заряд - це струм, який використовує енергію. Всі ті крихітні струми від мільярдів воріт, що перемикаються мільярди разів за секунду, складають зовсім небагато.

Як зазначає коментар SK-логіки, більша частина енергії реально витрачається на перемикання фліп-флопа, а не на стаціонарний стан.

Для динамічного скорочення є дві основні речі, які можна зробити IIRC.

1. якщо цілі області мікросхеми не синхронізуються, ви потенційно можете повністю вимкнути живлення для цих областей

2. Дерево годинника саме по собі є одним з найбільших стоків електроенергії в системі, значною мірою, оскільки це найшвидша частина комутації системи. Тож зменшення потужності у самому дереві годинника є суттєвим.

Потужність, яку споживає електронна схема, має дві компоненти:

• витік, який більш-менш залежить від постійної частоти і буде залежати від технології та робочої напруги;
• потужність комутації, яка залежить від частоти (це пов'язано з завантаженням і вивантаженням різних ємностей, транзисторів і проводів)

Щоб зменшити споживання, дизайнери процесорів використовують кілька методів:

• зміна частоти в залежності від навантаження (це буде діяти тільки на потужність комутації)
• зменшення потужності або навіть вимкнення частин ланцюгів, коли вони не потрібні

Ці методи в результаті призводять до того, що, залежно від вашого навантаження, вам може бути краще від споживання енергії POV, або зменшити частоту, або зробити «спринт» на повній швидкості, а потім вирізати підмножину ланцюгів.

Біг із меншою тактовою частотою не впливає на енергію, необхідну для виконання фіксованого завдання. Це навіть може збільшити необхідну енергію, якщо ви враховуєте протікання і зможете повністю відключитися.

Якщо менша тактова частота заощаджує енергію, це також можливість зменшити робочу напругу. Зниження напруги часто економить достатню кількість енергії, щоб компенсувати необхідність зберігати активність довше.