Disipación de potencia del procesador

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

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 propósito general , como computadoras de escritorio y portátiles , consumen energía del orden de decenas a cientos de vatios. Algunas otras implementaciones de CPU usan muy poca energía; por ejemplo, las CPU en teléfonos móviles a menudo usan solo unos pocos vatios de electricidad, ^[1] mientras que algunos microcontroladores utilizados en sistemas integrados pueden consumir solo unos pocos milivatios o incluso tan poco como unos pocos microvatios.

Hay varias razones de ingeniería que explican este patrón:

• En el caso de un núcleo de CPU determinado, el consumo de energía aumentará a medida que aumente su frecuencia de reloj. Reducir la frecuencia de reloj o reducir el voltaje normalmente reduce el consumo de energía; también es posible reducir el voltaje del microprocesador manteniendo la frecuencia de reloj igual. ^[2]
• Las nuevas funciones generalmente requieren más transistores , cada uno de los cuales consume energía. Apagar las áreas no utilizadas ahorra energía, por ejemplo, mediante la activación 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 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 promedio de la CPU de AMD )
• Potencia térmica máxima , que se mide bajo una carga de caso peor.

Por ejemplo, el Pentium 4 de 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 . Tanto Intel como Advanced Micro Devices (AMD) han definido la TDP como la generación máxima de calor durante períodos térmicamente significativos, mientras se ejecutan cargas de trabajo no sintéticas en el peor de los casos; por lo tanto, la TDP no refleja la potencia máxima real del procesador. Esto garantiza que la computadora pueda manejar esencialmente todas las aplicaciones sin exceder su envolvente térmica o requerir un sistema de refrigeración para la potencia teórica máxima (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 consumo total 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 del equipo. En aplicaciones en las que el equipo suele estar muy cargado, como la informática científica, el rendimiento por vatio (la cantidad de computación que realiza la CPU por unidad de energía) se vuelve más significativo.

Las CPU suelen utilizar una parte importante de la energía que consume el ordenador . Otros usos importantes incluyen tarjetas de vídeo rápidas , que contienen unidades de procesamiento gráfico , y fuentes de alimentación . En los ordenadores portátiles, la retroiluminación de la pantalla LCD también utiliza una parte importante de la energía total. Aunque se han instituido funciones de ahorro de energía en los ordenadores personales para cuando están inactivos, 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.

Hay varios factores que contribuyen al consumo de energía de la CPU; estos incluyen el consumo de energía dinámico, el consumo de energía por cortocircuito y la pérdida de energía debido a corrientes de fuga del transistor :

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

El consumo dinámico de energía se origina a partir de la actividad de las puertas lógicas dentro de una CPU. Cuando las puertas lógicas se activan, fluye energía a medida que se cargan y descargan los capacitores dentro de ellas. La energía dinámica consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a la frecuencia de la CPU y al cuadrado del voltaje de la CPU: ^[5]

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

donde C es la capacitancia de carga conmutada, f es la frecuencia, V es el voltaje. ^[6]

Cuando las puertas lógicas se activan, algunos transistores en su interior pueden cambiar de estado. Como esto lleva una cantidad finita de tiempo, puede suceder que durante un breve período de tiempo algunos transistores conduzcan simultáneamente. Una ruta directa entre la fuente y la tierra da como resultado una pérdida de potencia por cortocircuito ( ). La magnitud de esta potencia depende de la puerta lógica y es bastante compleja de modelar a nivel macro.$Estilo de visualización P_{sc}}$

El consumo de energía debido a la potencia de fuga ( ) se produce a nivel micro en los transistores. Siempre fluyen pequeñas cantidades de corriente entre las partes dopadas de forma diferente del transistor. 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 aumentar a medida que aumenta la temperatura y disminuye el tamaño de los transistores.${\displaystyle P_{fuga}}$

Tanto el consumo de energía dinámico como el de cortocircuito dependen de la frecuencia de 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. ^[7]

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

• Reducción de voltaje: CPU de voltaje dual , escalamiento de voltaje dinámico , subvoltaje , etc.
• Reducción de frecuencia: underclocking , escalado de frecuencia dinámico , etc.
• Reducción de capacitancia: cada vez más circuitos integrados que reemplazan las trazas de PCB entre dos chips con interconexiones metálicas en chip de capacitancia relativamente menor entre dos secciones de un solo chip integrado; dieléctrico de bajo κ , etc.
• Técnicas de compuerta de potencia, como la compuerta de reloj y la asincrónica global y la sincrónica local , que pueden considerarse como una reducción de la capacitancia conmutada en cada tic del reloj, o pueden considerarse 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 la CPU realiza en buses de datos externos, como el bus de direcciones no multiplexado , la codificación de bus como el direccionamiento de código Gray ^[8] o la codificación de caché de valores como el protocolo de potencia ^[9] . A veces, se coloca un "factor de actividad" ( A ) en la ecuación anterior para reflejar la actividad ^{[10] .}
• Sacrificar la densidad de transistores por frecuencias más altas.
• Superposición de zonas de conducción de calor dentro de la estructura 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, se puede reducir significativamente la potencia de la CPU utilizada para ejecutar una aplicación. ^[11]

Históricamente, los fabricantes de procesadores han ofrecido constantemente aumentos en las frecuencias de reloj y en el paralelismo a nivel de instrucción , de modo que el código de un solo subproceso se ejecuta más rápido en los procesadores más nuevos sin modificaciones. ^[12] Más recientemente, para gestionar la disipación de energía de la CPU, los fabricantes de procesadores prefieren los diseños de chips multinúcleo , por lo que el software debe escribirse de forma multiproceso o multihilo para aprovechar al máximo dicho hardware. Muchos paradigmas de desarrollo multiproceso introducen sobrecarga 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 a la contención de bloqueo . Este efecto se vuelve más notorio a medida que aumenta la cantidad de procesadores.

Recientemente, IBM ha estado explorando formas de distribuir el poder computacional de manera más eficiente imitando las propiedades distributivas del cerebro humano. ^[13]

Los procesadores pueden sufrir daños por sobrecalentamiento, pero los proveedores los protegen con medidas de seguridad operativas, como la limitación y el apagado automático. Cuando un núcleo supera la temperatura de limitación establecida, los procesadores pueden reducir la potencia para mantener un nivel de temperatura seguro y, si el procesador no puede mantener una temperatura de funcionamiento segura mediante acciones de limitación, se apagará automáticamente para evitar daños permanentes. ^[14]

• Weik, Martin H. (1955). "A Survey of Domestic Electronic Digital Computing Systems". Laboratorios de investigación balística. Informe n.º 971. 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. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
• 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.

• Referencia de CPU para todos los proveedores. Nodo de proceso, tamaño de chip, velocidad, potencia, conjunto de instrucciones, etc.
• Especificaciones eléctricas del procesador
• SizingLounge: herramienta de cálculo en línea de los costes de energía del servidor
• Para especificaciones sobre procesadores Intel
• Cómo hacer que x86 funcione bien, 15 de abril de 2001, por Paul DeMone