¿Por qué los procesadores de mayor frecuencia usan más potencia?

Si tiene un procesador que puede funcionar en dos frecuencias cuando no está inactivo, digamos f1 y f2, entonces habrá un consumo de energía diferente por frecuencia, como se explica en otras respuestas aquí.

El consumo de energía depende de la frecuencia de forma no lineal, por lo que podría tener:

f1 100MHz 1W
f2 200MHz 2.5W

Si tiene que ejecutar 100 millones de instrucciones y el procesador puede hacer una instrucción por ciclo de reloj, puede hacerlo en f1 o f2:

energía utilizada en f1 = 100M instrucciones / 100MHz / 1 (instrucción / ciclo) * 1W = 1J energía utilizada en f2 = 100M instrucciones / 200MHz / 1 (instrucción / ciclo) * 2.5W = 1.25J

Entonces, en f2, la ejecución se completa en 0.5 s en lugar de los 1 en f1, pero tomó más energía.

Sin embargo , hay otras consideraciones en un sistema informático: por ejemplo, si puede obtener una unidad de disco en estado inactivo antes porque el procesamiento ha terminado, entonces el ahorro de energía del disco duro Puede ser mayor que la energía extra utilizada en el procesamiento. Otro ejemplo: si el usuario puede terminar su trabajo en la mitad del tiempo, puede apagar la computadora y ahorrar en la energía utilizada para ejecutar el monitor.

Está asumiendo que el consumo de energía es una función del tiempo pero no de la frecuencia.

Si las compuertas lógicas tienen alguna capacidad de compuerta, a medida que aumenta la frecuencia a la que las cambia, aumenta el número de veces que carga y descarga los condensadores por unidad de tiempo. Lo que por lo tanto aumenta el consumo de energía.

1) No estás equivocado. Mayor frecuencia resulta en la resolución de problemas más rápido. El límite se convierte si intentas resolverlo virtualmente en 0 veces, calientas la parte tan caliente que dejas salir la magia. Ese humo mágico es costoso y preferimos no dejarlo salir, así que en lugar de eso, disminuimos la frecuencia para permitir que la CPU dure de 5 a 10 años. Eso significa que nuestro límite no es la frecuencia, sino el límite térmico de la parte. Y resolver el problema más rápido aumentando la frecuencia solo se puede hacer hasta el punto del límite térmico.

2) La otra cosa es que si la parte puede resolver problemas más rápido, las personas inevitablemente quieren usar esa parte para resolver más problemas . Por lo tanto, ahora debe resolver los problemas de manera más rápida y, una vez más, debe golpear la envoltura térmica.

La conmutación usa energía. Cada vez que una línea cambia, la capacitancia de esa línea debe ser cargada / descargada. En la lógica CMOS, esta fue tradicionalmente la causa principal del consumo de energía.

Los procesadores modernos tienen estados inactivos, por lo que pueden reducir significativamente (pero no eliminar) la conmutación cuando están inactivos. Entonces, según esa lógica, se esperaría que la potencia promedio sea similar para un procesador rápido que para un procesador lento. El procesador rápido usaría más energía al procesar, pero volvería al estado inactivo de baja energía más rápido.

Pero hay otros factores. Se necesita tiempo para que una línea se establezca en un estado que se pueda detectar de manera confiable como el valor correcto, para aumentar la velocidad de reloj mientras se mantiene el comportamiento correcto, tenemos que lidiar con esto. Hay un par de estrategias.

1. Podemos reducir la cantidad de cosas que suceden entre un par de bordes de reloj agregando etapas de tubería adicionales. Desafortunadamente, no solo el costo de la tubería es el costo de la energía, sino que la tubería más larga no admite el uso de trucos como la predicción de bifurcaciones y tal vez incluso la ejecución fuera de orden para evitar paradas inaceptables.
2. Podemos aumentar el tamaño de los transitores en relación con las líneas que conducen. Desafortunadamente, eso significa más capacidad en los transitores.
3. Podemos aumentar la tensión de funcionamiento. Esto hace que las líneas alcancen un estado aceptable más rápido, pero también aumenta la energía perdida en cada interruptor.

Todas estas cosas cuestan energía.

Por lo tanto, si todo lo demás es igual, un procesador más rápido generalmente obtendrá menos trabajo por cada tarea que uno más lento.

Esto se ve compensado en parte por el hecho de que los procesadores más rápidos se basan en nodos de tecnología más nuevos que permiten que todo se haga más pequeño y, por lo tanto, más eficiente.

Sobre la base de la respuesta de Peter, la mayoría de los procesadores requieren un poco más de voltaje para mantenerse estable en las frecuencias más altas. Esta relación voltaje-potencia es definitivamente no lineal.

Piense en un interruptor CMOS básico (ideal), cuando está encendido actúa como un cable, cuando está apagado actúa como un circuito abierto. En ambas ocasiones, el interruptor utiliza básicamente la potencia cero en sí . Sin embargo, cuando se cambia, necesita cargar y descargar las capacidades de la puerta, esto requiere energía. A un voltaje fijo, la energía que se usa para cargar y descargar la capacitancia es constante, por ejemplo. necesitas 0.5J de energía para cargar una tapa de 1F a 1V, independientemente de lo rápido que lo hagas. Así que eso es una pérdida fija por ciclo.

Las cosas interesantes suceden cuando cambias el voltaje. Ahora no puedo decir por qué muchos chips necesitan más voltaje a frecuencias más altas, pero puedo decir que la energía almacenada en las capacitancias de la puerta es $$ E = 0.5 * C * V ^ 2 $$ Donde E es energía, C es capacitancia y V es la tensión de la compuerta. Nuestra pérdida ideal de conmutación potencia es $$ P = E * f \ \ \ o \ \ \ 0.5 * C * f * V ^ 2 $$ Donde P es potencia yf es frecuencia. Por lo tanto, las frecuencias más altas necesitan proporcionalmente más potencia, pero los voltajes más altos necesitan exponencialmente más potencia y debido a que los relojes más altos tienden a ir de la mano con voltajes más altos, la potencia requerida puede aumentar bastante rápidamente.

También tiene cosas como resistencia en estado, interruptores no ideales, pérdida de potencia que aumenta con la temperatura (reloj alto = más voltaje = más pérdida = temperatura más alta = más circuitos con pérdidas = aún más pérdida ), pérdida estática (los interruptores CMOS nunca están realmente apagados y pierden más y más energía a medida que aumenta la temperatura). Así que hay bastantes razones que causan que las pérdidas de potencia en los chips modernos sean no lineales. Básicamente, todo lo que aumenta el consumo de energía y, por lo tanto, la temperatura hace que todo empeore ... es realmente un buen acto de equilibrio.

Para una tecnología CMOS y un voltaje dados, la potencia dinámica es proporcional a la frecuencia, por lo que si una tarea realiza ciclos de reloj n , tomará la misma cantidad de energía (dinámica) independientemente de la frecuencia del reloj. Sin embargo, para un chip típico hay muchas complicaciones. Por ejemplo, para un PIC16F627 , la frecuencia máxima es una función de la tensión de alimentación:

Si necesitamos operar a 20MHz, tendremos que dar al chip al menos 4.5VDC (digamos 5.0V nominal). Dado que la potencia dinámica es proporcional al voltaje cuadrado, si podemos operar a 4MHz podríamos reducir el voltaje de suministro a 2V (por ejemplo, 2.2V nominal), de modo que la energía por ciclo disminuirá en un factor de (2.2 / 5) ^ 2 o casi 5: 1. Eso es una gran reducción, pero requiere hacer un sistema de 2.2V en lugar de un sistema de 5V, por lo que es más que una simple decisión de codificación o frecuencia de cristal. Tenga en cuenta que el poder cae en un factor mucho mayor (25: 1), pero tiene que ejecutarse 5 veces más para cumplir la misma tarea, por lo que no cuenta mucho.

Todavía hay otras complicaciones: parte de la potencia del chip está presente cada vez que el reloj está en marcha o se activan varios periféricos (temporizador de vigilancia, ADC, detección de caída de tensión, ADC, etc.). Pueden tomar un tiempo considerable para iniciar o apagar. La suposición anterior es que el procesador podría activarse y hacer su trabajo y luego dormir con casi cero potencia, pero eso no siempre es posible.

Entonces, si va a analizar qué es lo mejor, debe considerar muchos factores diferentes.