Почему рабочие процессоры тяжелее потребляют больше электроэнергии?

В те времена, когда я начал кодировать, по крайней мере, насколько мне известно, все процессоры использовали фиксированное количество энергии. Не было такого понятия, чтобы процессор был «простаивающим».

В наши дни существуют всевозможные технологии для снижения энергопотребления, когда процессор не очень занят, в основном за счет динамического снижения тактовой частоты.

Мой вопрос: почему работа на более низкой тактовой частоте потребляет меньше энергии?

Моя умственная картина процессора опорного напряжения (скажем, 5V), представляющие собой двоичный 1, и 0, представляющий 0. Поэтому я склонен думать о постоянной 5V применяются по всей микросхеме, с различными логическими вентилями отсоединения этого напряжения когда «выключен», это означает, что используется постоянное количество энергии. Скорость, с которой эти ворота включаются и выключаются, похоже, не имеет отношения к используемой мощности.

Я не сомневаюсь, что это безнадежно наивная картина, но я не инженер-электрик. Может кто-нибудь объяснить, что на самом деле происходит с масштабированием частоты, и как это экономит электроэнергию. Существуют ли другие способы использования процессором большей или меньшей мощности в зависимости от состояния? Например, использует ли он больше энергии, если открыто больше ворот?

Чем мобильные / маломощные процессоры отличаются от своих настольных собратьев? Они просто проще (меньше транзисторов?) Или есть какое-то другое принципиальное отличие в конструкции?

Скорость, с которой эти ворота включаются и выключаются, похоже, не имеет отношения к используемой мощности.

Это где вы не правы. По сути, каждый затвор представляет собой конденсатор с невероятно малой емкостью. Включение и выключение путем «подключения» и «отключения» напряжения перемещает невероятно крошечный электрический заряд в или из затвора - вот что заставляет его действовать по-другому.

А движущийся электрический заряд - это ток, который использует энергию. Все эти крошечные потоки от миллиардов ворот, переключаемых миллиарды раз в секунду, складываются совсем немного.

Как отмечается в комментарии SK-logic, большая часть энергии действительно расходуется на переключение триггера, а не в устойчивое состояние.

Для динамического сокращения есть две основные вещи, которые вы можете сделать IIRC.

1. если целые области чипа не синхронизируются, вы можете полностью отключить питание этих областей

2. Само дерево часов является одним из крупнейших источников энергии в системе, в основном потому, что оно является самой быстро переключаемой частью системы. Таким образом, уменьшение мощности в самом дереве часов является значительным.

Мощность, потребляемая электронной схемой, состоит из двух компонентов:

• утечка, которая более или менее не зависит от частотной постоянной и будет зависеть от технологии и рабочего напряжения;
• мощность переключения, которая зависит от частоты (это связано с нагрузкой и разгрузкой различных емкостей, транзисторов и проводов)

Чтобы уменьшить потребление, разработчики процессоров используют несколько методов:

• изменение частоты в зависимости от нагрузки (это будет влиять только на мощность переключения)
• уменьшение мощности или даже отключение частей цепей, когда они не нужны

В результате эти методы приводят к тому, что, в зависимости от вашей нагрузки, вам может быть лучше от POV потребления энергии либо снизить частоту, либо выполнить «спринт» на полной скорости, а затем отключить подмножество цепей.

Работа на более низкой тактовой частоте не влияет на энергию, необходимую для выполнения фиксированной задачи. Это может даже увеличить требуемую энергию, если вы учитываете утечку и способны полностью отключиться.

Там, где более низкая тактовая частота экономит энергию, можно также уменьшить рабочее напряжение. Снижение напряжения часто экономит достаточно энергии, чтобы компенсировать необходимость оставаться активным дольше.