تبديد طاقة المعالج

الموسوعة الحرة
صور لمشتتات الحرارة

إن تبديد طاقة المعالج أو تبديد طاقة وحدة المعالجة هو العملية التي تستهلك فيها معالجات الكمبيوتر الطاقة الكهربائية ، وتبدد هذه الطاقة على شكل حرارة بسبب المقاومة في الدوائر الإلكترونية .

إدارة الطاقة

يُعدّ تصميم وحدات المعالجة المركزية التي تُؤدي المهام بكفاءة دون ارتفاع درجة حرارتها أحد الاعتبارات الرئيسية لدى جميع مُصنّعي وحدات المعالجة المركزية تقريبًا حتى الآن. تاريخيًا، كانت وحدات المعالجة المركزية الأولى المُصممة باستخدام الصمامات المفرغة تستهلك طاقة تصل إلى عدة كيلوواط . أما وحدات المعالجة المركزية الحالية في أجهزة الكمبيوتر الشخصية للأغراض العامة ، مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والمحمولة ، فتستهلك طاقة تتراوح بين عشرات ومئات الواط. وتستهلك بعض تصميمات وحدات المعالجة المركزية الأخرى طاقة ضئيلة جدًا؛ فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تستهلك وحدات المعالجة المركزية في الهواتف المحمولة بضعة واط فقط من الكهرباء، [ 1 ] بينما قد تستهلك بعض وحدات التحكم الدقيقة المُستخدمة في الأنظمة المُدمجة بضعة ميلي واط أو حتى بضعة ميكرو واط فقط.

هناك عدد من الأسباب الهندسية وراء هذا النمط:

  • بالنسبة لنواة معالج معينة، يزداد استهلاك الطاقة مع زيادة ترددها. وعادةً ما يؤدي خفض تردد المعالج أو تقليل الجهد إلى تقليل استهلاك الطاقة؛ كما يمكن تقليل جهد المعالج مع الحفاظ على تردده ثابتًا. [ 2 ]
  • تتطلب الميزات الجديدة عادةً المزيد من الترانزستورات ، ويستهلك كل منها طاقة. ويؤدي إيقاف تشغيل المناطق غير المستخدمة إلى توفير الطاقة، كما هو الحال من خلال بوابات الساعة .
  • مع نضوج تصميم نموذج المعالج، قد يؤدي استخدام ترانزستورات أصغر حجماً، وهياكل ذات جهد أقل، وخبرة في التصميم إلى تقليل استهلاك الطاقة.

عادةً ما تُصدر شركات تصنيع المعالجات رقمين لاستهلاك الطاقة لوحدة المعالجة المركزية:

على سبيل المثال، يستهلك معالج بنتيوم 4 بسرعة 2.8 جيجاهرتز طاقة حرارية نموذجية  تبلغ 68.4 واط، وطاقة حرارية قصوى تبلغ 85 واط. وعندما يكون المعالج في وضع الخمول، يستهلك طاقة حرارية أقل بكثير من الطاقة الحرارية النموذجية. عادةً ما تتضمن جداول البيانات طاقة التصميم الحراري (TDP)، وهي أقصى كمية من الحرارة التي يولدها المعالج والتي يجب على نظام التبريد في الحاسوب تبديدها . وقد حددت كل من إنتل وأدفانسد مايكرو ديفايسز (AMD) طاقة التصميم الحراري (TDP) على أنها أقصى توليد للحرارة لفترات ذات أهمية حرارية، أثناء تشغيل أحمال عمل غير اصطناعية في أسوأ الحالات؛ وبالتالي، فإن طاقة التصميم الحراري (TDP) لا تعكس الطاقة القصوى الفعلية للمعالج. وهذا يضمن قدرة الحاسوب على التعامل مع جميع التطبيقات تقريبًا دون تجاوز حدوده الحرارية، أو الحاجة إلى نظام تبريد للطاقة النظرية القصوى (والتي ستكون تكلفتها أعلى، ولكنها توفر هامشًا إضافيًا لقوة المعالجة). [ 3 ] [ 4 ]  

في العديد من التطبيقات، يكون المعالج المركزي والمكونات الأخرى في وضع الخمول معظم الوقت، لذا يُساهم استهلاك الطاقة في وضع الخمول بشكل كبير في إجمالي استهلاك الطاقة للنظام. عندما يستخدم المعالج المركزي ميزات إدارة الطاقة لتقليل استهلاكها، تستهلك مكونات أخرى، مثل اللوحة الأم ومجموعة الشرائح، نسبة أكبر من طاقة الحاسوب. في التطبيقات التي يكون فيها الحاسوب مُحمّلاً بشكل كبير، مثل الحوسبة العلمية، يصبح الأداء لكل واط (مقدار العمليات الحسابية التي يُجريها المعالج المركزي لكل وحدة طاقة) أكثر أهمية.

تستهلك وحدات المعالجة المركزية عادةً جزءًا كبيرًا من الطاقة التي يستهلكها الحاسوب . ومن الاستخدامات الرئيسية الأخرى بطاقات الفيديو السريعة ، التي تحتوي على وحدات معالجة الرسومات ، ووحدات تزويد الطاقة . في أجهزة الكمبيوتر المحمولة، تستهلك الإضاءة الخلفية لشاشة LCD أيضًا جزءًا كبيرًا من الطاقة الإجمالية. ورغم وجود ميزات لتوفير الطاقة في أجهزة الكمبيوتر الشخصية عند عدم استخدامها، إلا أن الاستهلاك الإجمالي لوحدات المعالجة المركزية عالية الأداء اليوم لا يزال كبيرًا. وهذا يتناقض بشدة مع انخفاض استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ في وحدات المعالجة المركزية المصممة للأجهزة منخفضة الطاقة.

مصادر

هناك عدة عوامل تساهم في استهلاك الطاقة لوحدة المعالجة المركزية؛ وتشمل هذه العوامل استهلاك الطاقة الديناميكي، واستهلاك الطاقة الناتج عن قصر الدائرة، وفقدان الطاقة بسبب تيارات التسرب في الترانزستور :

Pجصu=Pدyن+Psج+Pلهـأك{\displaystyle P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}}

ينشأ استهلاك الطاقة الديناميكي من نشاط البوابات المنطقية داخل وحدة المعالجة المركزية. فعندما تُبدّل البوابات المنطقية حالتها، تتدفق الطاقة نتيجة شحن وتفريغ المكثفات الموجودة بداخلها. وتتناسب الطاقة الديناميكية التي تستهلكها وحدة المعالجة المركزية تقريبًا مع ترددها، ومع مربع جهدها: [ 5 ]

Pدyن=جV2و{\displaystyle P_{dyn}=CV^{2}f}

حيث C هي سعة الحمل المحوّل، و f هي التردد، و V هي الجهد. [ 6 ]

عندما تُبدّل البوابات المنطقية، قد تتغير حالة بعض الترانزستورات الداخلية. ولأن هذا يستغرق وقتًا محدودًا، فقد يحدث أن تعمل بعض الترانزستورات في وقت واحد لفترة وجيزة جدًا. ويؤدي وجود مسار مباشر بين المصدر والأرض إلى فقدان بعض الطاقة نتيجة قصر الدائرة.Psج{\displaystyle P_{sc}}يعتمد حجم هذه القدرة على البوابة المنطقية، ومن الصعب جداً نمذجتها على المستوى الكلي.

استهلاك الطاقة بسبب تسرب الطاقة (Pلهـأك{\displaystyle P_{leak}}ينشأ التسرب على المستوى الميكروي في الترانزستورات. تتدفق كميات صغيرة من التيارات باستمرار بين أجزاء الترانزستور ذات مستويات التشويب المختلفة. يعتمد مقدار هذه التيارات على حالة الترانزستور وأبعاده وخصائصه الفيزيائية، وأحيانًا على درجة الحرارة. يميل إجمالي تيارات التسرب إلى الزيادة مع ارتفاع درجة الحرارة وانخفاض حجم الترانزستور.

يعتمد كل من استهلاك الطاقة الديناميكي واستهلاك الطاقة في حالة قصر الدائرة على تردد الساعة، بينما يعتمد تيار التسريب على جهد تغذية وحدة المعالجة المركزية. وقد ثبت أن استهلاك الطاقة للبرنامج يُظهر سلوكًا محدبًا، مما يعني وجود تردد أمثل لوحدة المعالجة المركزية يكون عنده استهلاك الطاقة في حده الأدنى مقابل العمل المنجز. [ 7 ]

تخفيض

يمكن تقليل استهلاك الطاقة بعدة طرق، بما في ذلك ما يلي:

ترددات الساعة وتصميمات الرقائق متعددة النوى

تاريخيًا، دأبت شركات تصنيع المعالجات على زيادة سرعات الساعة والتوازي على مستوى التعليمات ، مما مكّن من تنفيذ التعليمات البرمجية أحادية الخيوط بشكل أسرع على المعالجات الأحدث دون أي تعديل. [ 12 ] ومؤخرًا، ولإدارة استهلاك طاقة وحدة المعالجة المركزية، تُفضّل شركات تصنيع المعالجات تصميمات الرقائق متعددة النوى ، وبالتالي يجب كتابة البرامج بطريقة متعددة الخيوط أو متعددة العمليات للاستفادة الكاملة من هذه الأجهزة. تُضيف العديد من نماذج التطوير متعددة الخيوط عبئًا إضافيًا، ولن تشهد زيادة خطية في السرعة مقارنةً بعدد المعالجات. ويصدق هذا بشكل خاص عند الوصول إلى الموارد المشتركة أو التابعة، بسبب تنازع الأقفال . ويصبح هذا التأثير أكثر وضوحًا مع زيادة عدد المعالجات.

في الآونة الأخيرة، بدأت شركة IBM باستكشاف طرق لتوزيع قوة الحوسبة بكفاءة أكبر من خلال محاكاة خصائص التوزيع في الدماغ البشري. [ 13 ]

ارتفاع درجة حرارة المعالج

قد تتعرض المعالجات للتلف نتيجة ارتفاع درجة حرارتها، لكن الشركات المصنعة تحميها بوسائل حماية تشغيلية مثل خفض التردد والإيقاف التلقائي. فعندما تتجاوز درجة حرارة أحد النوى درجة حرارة خفض التردد المحددة، يمكن للمعالجات خفض الطاقة للحفاظ على مستوى حرارة آمن، وإذا لم يتمكن المعالج من الحفاظ على درجة حرارة تشغيل آمنة من خلال خفض التردد، فسيتم إيقاف تشغيله تلقائيًا لمنع حدوث تلف دائم. [ 14 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ تشانغ ، ييفان. ليو، يونشين؛ تشوانغ، لي؛ ليو، شوانزي؛ تشاو فنغ. لي، كون. نمذجة دقيقة لطاقة وحدة المعالجة المركزية للهواتف الذكية متعددة النواة (أبلغ عن). أبحاث مايكروسوفت. MSR-TR-2015-9.
  2. ↑ كاتريس، إيان (23 أبريل 2012). "خفض الجهد وزيادة سرعة المعالج على معالجات Ivy Bridge" . anandtech.com . مؤرشف من الأصل في 25 أبريل 2012.
  3. ↑ تشين، مايك (15 يونيو 2004). "أثلون 64 لطاقة هادئة" . silentpcreview.com . ص 3. تاريخ الاسترجاع: 21 ديسمبر 2013. يجب استخدام طاقة التصميم الحراري (TDP) لتحديد أهداف تصميم الحلول الحرارية للمعالج. لا تمثل طاقة التصميم الحراري (TDP) الحد الأقصى للطاقة التي يمكن للمعالج تبديدها. 
  4. ↑ كانينغهام، أندرو (14 يناير 2013). "التفاصيل التقنية وراء معالجات إنتل آيفي بريدج بقدرة 7 واط" . آرس تكنيكا . تم الاطلاع عليه في 14 يناير 2013. في حالة إنتل، لا يرتبط معدل استهلاك الطاقة الحرارية (TDP) لشريحة معينة بكمية الطاقة التي تحتاجها الشريحة (أو يمكنها استخدامها)، بل يرتبط أكثر بكمية الطاقة التي يجب أن يكون مروحة الكمبيوتر ومشتت الحرارة قادرين على تبديدها أثناء تشغيل الشريحة تحت حمل مستمر. قد يكون استهلاك الطاقة الفعلي أعلى أو أقل بكثير من معدل استهلاك الطاقة الحرارية، ولكن الهدف من هذا الرقم هو توفير إرشادات للمهندسين الذين يصممون حلول التبريد لمنتجاتهم.
  5. ↑ "تقنية Intel SpeedStep المحسّنة لمعالج Intel Pentium M (ورقة بيضاء)" (ملف PDF) . شركة Intel . مارس 2004. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 12 أغسطس 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 ديسمبر 2013 .
  6. ↑ جان م. راباي؛ مسعود بدرام؛ محرران. "منهجيات تصميم الطاقة المنخفضة" . 2012. ص 133.
  7. ↑ دي فوغيلير، كاريل؛ ميمي، جيرارد؛ جوفيلو، بيير؛ كويلو، فابيان (2013-09-09). "قاعدة التحدب للطاقة/التردد: النمذجة والتحقق التجريبي على الأجهزة المحمولة". arXiv : 1401.4655 [ cs.OH ].
  8. ↑ سو، تشينغ-لونغ؛ تسوي، تشي-ينغ؛ ديسبين، ألفين م. (1994). تصميم معماري منخفض الطاقة وتقنيات تجميع للمعالجات عالية الأداء (ملف PDF) (تقرير). مختبر هندسة الحاسوب المتقدمة. ACAL-TR-94-01.
  9. ↑ باسو، ك.؛ تشودري، أ.؛ بيشاراث، ج.؛ كانديمير، م. (2002). "بروتوكول الطاقة: تقليل استهلاك الطاقة على ناقلات البيانات الخارجية". المؤتمر الدولي السنوي الخامس والثلاثون لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات/رابطة مكائن ​​الحوسبة حول هندسة المعالجات الدقيقة، 2002. (MICRO-35). وقائع المؤتمر (ملف PDF) . الصفحات 345-355 . CiteSeerX 10.1.1.115.9946 . doi : 10.1109/MICRO.2002.1176262 . ISBN   978-0-7695-1859-6. S2CID 18811466 . 
  10. ↑ ك. مويسيف، أ. كولودني، وس. ويمر (سبتمبر 2008). "ترتيب الإشارات الأمثل من حيث استهلاك الطاقة مع مراعاة التوقيت". معاملات ACM في أتمتة تصميم الأنظمة الإلكترونية . 13 (4): 1-17 . doi : 10.1145/1391962.1391973 . S2CID 18895687 . 
  11. ↑ الخطيب، زيد؛ عبدي، سمر (13 أبريل 2015). "نمذجة استهلاك الطاقة الديناميكي للمعالجات البرمجية في FPGA باستخدام قيم المعاملات". الحوسبة التطبيقية القابلة لإعادة التكوين . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 9040. سبرينغر، تشام. الصفحات 65-76 . doi : 10.1007/978-3-319-16214-0_6 . ISBN   978-3-319-16213-3.
  12. ↑ ساتر، هيرب (2005). "انتهى وقت الغداء المجاني: تحول أساسي نحو التزامن في البرمجيات" . مجلة دكتور دوب . 30 (3).
  13. ↑ جونسون، ر. كولين (18 أغسطس 2011). "شركة آي بي إم تستعرض رقائق حاسوبية معرفية" . مجلة إي إي تايمز . تاريخ الاسترجاع: 1 أكتوبر 2011 .
  14. ↑ "الأسئلة الشائعة حول درجة الحرارة لمعالجات Intel®" .

للمزيد من القراءة