¿Por qué los procesadores en funcionamiento utilizan más energía eléctrica?

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De vuelta en la bruma del tiempo cuando comencé a codificar, al menos en la medida en que tengo conocimiento, todos los procesadores utilizaron una cantidad fija de energía. El procesador no estaba "inactivo".

En estos días hay todo tipo de tecnologías para reducir el uso de energía cuando el procesador no está muy ocupado, principalmente reduciendo dinámicamente la velocidad del reloj.

Mi pregunta es ¿por qué correr con una frecuencia de reloj más baja consume menos energía?

Mi imagen mental de un procesador es de un voltaje de referencia (por ejemplo, 5V) que representa un binario 1 y 0V que representa 0. Por lo tanto, tiendo a pensar en una constante de 5V aplicada en todo el chip, con varias puertas lógicas desconectar esta tensión cuando está "apagado", lo que significa que se está utilizando una cantidad constante de energía. La velocidad a la que se activan y desactivan estas compuertas parece no tener relación con la potencia utilizada.

No tengo ninguna duda de que esta es una imagen irremediablemente ingenua, pero no soy ingeniero eléctrico. ¿Alguien puede explicar qué está pasando realmente con la escala de frecuencia y cómo ahorra energía? ¿Hay otras formas en que un procesador utiliza más o menos energía dependiendo del estado? por ejemplo, ¿usa más energía si hay más puertas abiertas?

¿En qué se diferencian los procesadores móviles / de baja potencia de sus primos de escritorio? ¿Son simplemente más simples (menos transistores), o hay alguna otra diferencia de diseño fundamental?

    
pregunta

4 respuestas

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La velocidad a la que se activan y desactivan estas puertas parece no tener relación con la potencia utilizada.

Aquí es donde te equivocas. Básicamente, cada compuerta es un capacitor con una capacitancia increíblemente pequeña. Al encenderlo y apagarlo "conectando" y "desconectando" el voltaje mueve una carga eléctrica increíblemente pequeña dentro o fuera de la compuerta, eso es lo que hace que actúe de manera diferente.

Y una carga eléctrica en movimiento es una corriente, que usa energía. Todas esas pequeñas corrientes de miles de millones de puertas que se cambian miles de millones de veces por segundo se suman bastante.

    
respondido por el Michael Borgwardt
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Como el comentario de SK-logic señala, la mayor parte del poder se gasta realmente en cambiar de flip-flop en lugar de un estado estable.

Para reducir dinámicamente, hay dos cosas principales que puede hacer IIRC.

  1. si no se sincronizan áreas enteras de un chip, es posible que pueda desconectar completamente la alimentación de esas áreas

  2. El árbol del reloj en sí mismo es uno de los mayores drenajes de energía en el sistema, en gran parte porque es la parte de conmutación más rápida de un sistema. Por lo tanto, reducir la potencia en el árbol del reloj es significativo.

respondido por el jk.
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La potencia consumida por un circuito electrónico tiene dos componentes:

  • la fuga, que es más o menos independiente de la constante de frecuencia y dependerá de la tecnología y el voltaje de trabajo;
  • la potencia de conmutación, que depende de la frecuencia (se debe a la carga y descarga de varias capacidades, transistores y cables)

Para reducir el consumo, los diseñadores de procesadores utilizan varias técnicas:

  • modificando la frecuencia dependiendo de la carga (esto actuará solo en la potencia de conmutación)
  • reduciendo la potencia o incluso apagando partes de los circuitos cuando no son necesarios

Estas técnicas tienen como resultado que, dependiendo de su carga, puede estar mejor, debido al consumo de energía POV, ya sea reduciendo la frecuencia o haciendo un "sprint" a toda velocidad y luego cortando un subconjunto de los circuitos.

    
respondido por el AProgrammer
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La ejecución a una velocidad de reloj más baja no afecta la energía requerida para realizar una tarea fija. Incluso podría aumentar la energía requerida si tiene en cuenta las fugas y puede desconectarse por completo.

Donde una velocidad de reloj más baja ahorra energía, es también poder reducir la tensión de funcionamiento. La reducción de voltaje a menudo ahorra suficiente energía para compensar la necesidad de permanecer activo por más tiempo.

    
respondido por el Sean Houlihane

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