В ЦП скорость расчета влияет на выработанное тепло?

Возьмите в качестве примера процессор, способный изменять тактовую частоту, например, современный компьютерный процессор (Intel, AMD и т. Д.). Когда он выполняет определенный расчет на определенной тактовой частоте, генерирует ли он то же количество тепла, что и при идентичном вычислении на более низкой тактовой частоте? Я знаю, что теплоотдача и накопление тепла - это разные проблемы, поэтому давайте просто поговорим о генерируемом тепле.

Помимо тактовой частоты, имейте в виду, что в реальном «большом» процессоре (который имеет кеши, MMU, TLB, конвейерное выполнение, SIMD и т. Д.) Другим важным фактором, определяющим количество выделяемого тепла, будет то, насколько хорошо поток команд используется доступные ресурсы процессора. Если вы запускаете программу с интенсивным использованием памяти, большую часть времени ЦП будет просто нуждаться в данных, ничего не делая, поэтому выделяемое тепло будет относительно низким. Чисто вычислительный код с узкими циклами нагреет больше. Еще больше тепла может быть сгенерировано с помощью строго оптимизированного кода, который почти не вызывает ошибочных предсказаний ветвлений, интенсивно использует блоки SIMD, оптимально использует кэши и т. Д.

Существуют программы, специально предназначенные для работы с ЦП в этом режиме - максимально подчеркивая его, Prime95 является ярким примером для ПК.

Фактически, если ПК уже запускает Prime95 на всех доступных ядрах ЦП, а затем одновременно запускается другое приложение, интенсивно использующее ЦП (например, 3D-рендеринг), вы заметите, что ЦП охлаждается . Это связано с тем, что ему приходится делиться очень тяжелым кодом Prime95 (который «освещает все транзисторы» ) с кодом рендеринга с относительно меньшими требованиями (который, вероятно, содержит много ошибок в кеше и неправильных предсказаниях ветвлений - это позволяет процессору останавливаться для некоторое время и остыть).

Еще одна вещь, которую вы должны учитывать, это то, что обычно у каждого процессора есть таблица с допустимыми тактовыми частотами и напряжениями ядра, связанными с каждой скоростью. Более низкие тактовые частоты также соответствуют более низкому напряжению, так как производитель определил, что процессор будет стабильным при этом напряжении. Потребляемая мощность изменяется примерно линейно с тактовой частотой, но квадратично с напряжением.

Потребляемая мощность пропорциональна частоте перехода тактового генератора и потерям проводимости при переключении этих эффективных конденсаторных затворов. Повышение температуры, однако, пропорционально потребляемой мощности, умноженной на эффективное тепловое сопротивление, в градусах С на ватт и, таким образом, не зависит от энергии или, скорее, может работать холоднее или теплее в зависимости от потребляемой мощности и не распространять эту мощность в течение более длительного периода времени. Может быть формула, которая показывает, что повышение температуры с тактовой частотой представляет собой некоторую дробную мощность, превышающую единицу.

• Мощность будет ниже при более низкой рабочей частоте.

• При том же напряжении в сердечнике полная энергия будет выше при более низкой тактовой частоте.

• Но если напряжение ядра снижается с частотой, то общая энергия может быть меньше.

• Для алгоритмов, которые проводят большую часть своего времени в ожидании операций ввода / вывода, время выполнения будет приблизительно постоянным независимо от частоты ядра. Поэтому общая энергия, необходимая для расчета, будет расти пропорционально тактовой частоте.
  
  
  Потребляемая мощность процессора состоит из двух частей.

1) Статическое потребление тока (I_static). Для некоторого конкретного напряжения питания и температуры это потребление тока является постоянным независимо от того, что делает процессор.

Процессор, изготовленный по технологии CMOS, состоит из тысяч или миллионов транзисторов MOSFET. Статическое потребление тока происходит в основном из-за суммарного тока утечки в отключенном состоянии миллионов транзисторов MOSFET.

• Потребление статического тока обычно увеличивается при увеличении напряжения питания.

• Статическое потребление тока обычно увеличивается при увеличении температуры процессора.

• Статическое потребление тока для многих устройств намного меньше, чем динамическое потребление тока.

2) Динамическое потребление тока. Для процессора, построенного с использованием CMOS-процессов, динамический ток возникает, когда транзисторы переключаются между состояниями включения / выключения.

• Для заданного напряжения питания динамическое потребление тока обычно прямо пропорционально частоте.

• Динамическое потребление тока увеличивается с увеличением напряжения питания.

Причина в следующем. Каждый MOSFET-транзистор в CPU имеет определенную емкость, связанную с ним. Каждый раз MOSFET переключается; заряд Q = C * V необходим для зарядки / разрядки этой емкости.

Динамическое потребление тока для каждого транзистора I_dynamic = C * V * f.

Независимо от того, на какой частоте выполняются инструкции, определенный набор операций на конкретном ЦП (при условии идентичного поведения кеша и памяти) потребляет определенное количество общего заряда (Q_program) из-за динамического потребления тока, независимо от частоты что инструкции выполнены в.

Но если инструкции выполняются медленнее, тогда общий заряд из-за статического тока будет выше, потому что прошло больше времени.

Математически можно написать ...

W = (I_dynamic + I_static) * V_supply

E = W * время = Q_program * V_supply + I_static * V_supply * время

Мы можем видеть, что когда тактовая частота приближается к 0, мощность будет приближаться к фиксированному значению, но энергия, необходимая для вычисления программы, приближается к бесконечности.

Так что, если (основываясь на емкостях транзисторов ЦП) Q_program фиксируется для определенного напряжения питания и набора операций, как современные ЦП экономят энергию, снижая тактовую частоту? Ответ заключается в том, что большинство современных процессоров включают встроенный (или в сопутствующий чип) регулируемый стабилизатор напряжения ядра. Когда они понижают тактовую частоту, они также могут снизить напряжение ядра. Затем Q_program (и E_program) снижается пропорционально напряжению питания.

Обратите внимание, что процессор не может использовать более низкое напряжение на более высоких частотах, потому что при более низких напряжениях время переключения транзистора увеличивается.

Мощность пропорциональна как напряжению (в квадрате), так и току. Таким образом, если напряжение падает одновременно с частотой, то мощность падает с кубом частоты.

Транзисторы используют энергию, которая теряется в виде тепла. Есть два механизма, статическая и динамическая энергия. Статическая энергия постоянна, и динамическая (переключающая) энергия возникает всякий раз, когда она меняет состояние (0-> 1 или 1-> 0). Динамическая (переключающая) энергия обычно является большим источником тепла, чем статическая. Вычисление, которое вы хотите выполнить, займет одинаковое количество тактов и приведет к тому, что одинаковое количество битов транзистора перевернется независимо от тактовой частоты. Следовательно, динамическое тепло одинаково для обеих ситуаций. Статическое тепло ... статично. Таким образом, в итоге, если ЦПУ выполняет ТОЛЬКО этот 1 расчет, тогда потребление энергии / тепла точно такое же, когда оно усредняется за определенный период времени.

В описанном вами сценарии энергия, необходимая для расчета, не зависит от тактовой частоты. Но тепло может быть «мягким» термином. Допустим, расчет занимает 1 Джоуля. Если вы сделаете это за 1 секунду, то это 1 Дж / сек = 1 Вт. Но если это займет 2 секунды, то это 1 Дж / 2 с = 0,5 Дж / с = 0,5 Вт.

Процессор определенно достигнет более высокой температуры, если вычисления будут выполнены быстрее, потому что энергия высвобождается быстрее. Я не думаю, что во мне слишком много смысла говорить что-то большее.

О, за исключением того, что цифры, которые я вам дал, не должны быть реалистичными. Это просто концепция.