La disipación de potencia del procesador o disipación de potencia de la unidad de procesamiento es el proceso en el cual los procesadores de las computadoras consumen energía eléctrica y disipan esta energía en forma de calor debido a la resistencia en los circuitos electrónicos .
El diseño de CPU que realicen tareas de manera eficiente sin sobrecalentarse es una consideración importante de casi todos los fabricantes de CPU hasta la fecha. Históricamente, las primeras CPU implementadas con tubos de vacío consumían energía del orden de muchos kilovatios . Las CPU actuales en computadoras personales de propósito general , como computadoras de escritorio y portátiles , consumen energía del orden de decenas a cientos de vatios. Algunas otras implementaciones de CPU usan muy poca energía; por ejemplo, las CPU en teléfonos móviles a menudo usan solo unos pocos vatios de electricidad, [1] mientras que algunos microcontroladores utilizados en sistemas integrados pueden consumir solo unos pocos milivatios o incluso tan poco como unos pocos microvatios.
Hay varias razones de ingeniería que explican este patrón:
Los fabricantes de procesadores suelen publicar dos números de consumo de energía para una CPU:
Por ejemplo, el Pentium 4 de 2,8 GHz tiene una potencia térmica típica de 68,4 W y una potencia térmica máxima de 85 W. Cuando la CPU está inactiva, consumirá mucho menos que la potencia térmica típica. Las hojas de datos normalmente contienen la potencia de diseño térmico (TDP), que es la cantidad máxima de calor generada por la CPU, que el sistema de refrigeración de una computadora debe disipar . Tanto Intel como Advanced Micro Devices (AMD) han definido la TDP como la generación máxima de calor durante períodos térmicamente significativos, mientras se ejecutan cargas de trabajo no sintéticas en el peor de los casos; por lo tanto, la TDP no refleja la potencia máxima real del procesador. Esto garantiza que la computadora pueda manejar esencialmente todas las aplicaciones sin exceder su envolvente térmica o requerir un sistema de refrigeración para la potencia teórica máxima (que costaría más pero a favor de un margen adicional para la potencia de procesamiento). [3] [4]
En muchas aplicaciones, la CPU y otros componentes están inactivos la mayor parte del tiempo, por lo que la energía inactiva contribuye significativamente al consumo total de energía del sistema. Cuando la CPU utiliza funciones de administración de energía para reducir el uso de energía, otros componentes, como la placa base y el chipset, consumen una mayor proporción de la energía del equipo. En aplicaciones en las que el equipo suele estar muy cargado, como la informática científica, el rendimiento por vatio (la cantidad de computación que realiza la CPU por unidad de energía) se vuelve más significativo.
Las CPU suelen utilizar una parte importante de la energía que consume el ordenador . Otros usos importantes incluyen tarjetas de vídeo rápidas , que contienen unidades de procesamiento gráfico , y fuentes de alimentación . En los ordenadores portátiles, la retroiluminación de la pantalla LCD también utiliza una parte importante de la energía total. Aunque se han instituido funciones de ahorro de energía en los ordenadores personales para cuando están inactivos, el consumo general de las CPU de alto rendimiento actuales es considerable. Esto contrasta fuertemente con el consumo de energía mucho menor de las CPU diseñadas para dispositivos de bajo consumo.
Hay varios factores que contribuyen al consumo de energía de la CPU; estos incluyen el consumo de energía dinámico, el consumo de energía por cortocircuito y la pérdida de energía debido a corrientes de fuga del transistor :
El consumo dinámico de energía se origina a partir de la actividad de las puertas lógicas dentro de una CPU. Cuando las puertas lógicas se activan, fluye energía a medida que se cargan y descargan los capacitores dentro de ellas. La energía dinámica consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a la frecuencia de la CPU y al cuadrado del voltaje de la CPU: [5]
donde C es la capacitancia de carga conmutada, f es la frecuencia, V es el voltaje. [6]
Cuando las puertas lógicas se activan, algunos transistores en su interior pueden cambiar de estado. Como esto lleva una cantidad finita de tiempo, puede suceder que durante un breve período de tiempo algunos transistores conduzcan simultáneamente. Una ruta directa entre la fuente y la tierra da como resultado una pérdida de potencia por cortocircuito ( ). La magnitud de esta potencia depende de la puerta lógica y es bastante compleja de modelar a nivel macro.
El consumo de energía debido a la potencia de fuga ( ) se produce a nivel micro en los transistores. Siempre fluyen pequeñas cantidades de corriente entre las partes dopadas de forma diferente del transistor. La magnitud de estas corrientes depende del estado del transistor, sus dimensiones, propiedades físicas y, a veces, la temperatura. La cantidad total de corrientes de fuga tiende a aumentar a medida que aumenta la temperatura y disminuye el tamaño de los transistores.
Tanto el consumo de energía dinámico como el de cortocircuito dependen de la frecuencia de reloj, mientras que la corriente de fuga depende de la tensión de alimentación de la CPU. Se ha demostrado que el consumo de energía de un programa muestra un comportamiento energético convexo, lo que significa que existe una frecuencia de CPU óptima en la que el consumo de energía es mínimo para el trabajo realizado. [7]
El consumo de energía se puede reducir de varias maneras, [ cita requerida ] incluidas las siguientes:
Históricamente, los fabricantes de procesadores han ofrecido constantemente aumentos en las frecuencias de reloj y en el paralelismo a nivel de instrucción , de modo que el código de un solo subproceso se ejecuta más rápido en los procesadores más nuevos sin modificaciones. [12] Más recientemente, para gestionar la disipación de energía de la CPU, los fabricantes de procesadores prefieren los diseños de chips multinúcleo , por lo que el software debe escribirse de forma multiproceso o multihilo para aprovechar al máximo dicho hardware. Muchos paradigmas de desarrollo multiproceso introducen sobrecarga y no verán un aumento lineal en la velocidad en comparación con la cantidad de procesadores. Esto es particularmente cierto al acceder a recursos compartidos o dependientes, debido a la contención de bloqueo . Este efecto se vuelve más notorio a medida que aumenta la cantidad de procesadores.
Recientemente, IBM ha estado explorando formas de distribuir el poder computacional de manera más eficiente imitando las propiedades distributivas del cerebro humano. [13]
Los procesadores pueden sufrir daños por sobrecalentamiento, pero los proveedores los protegen con medidas de seguridad operativas, como la limitación y el apagado automático. Cuando un núcleo supera la temperatura de limitación establecida, los procesadores pueden reducir la potencia para mantener un nivel de temperatura seguro y, si el procesador no puede mantener una temperatura de funcionamiento segura mediante acciones de limitación, se apagará automáticamente para evitar daños permanentes. [14]
La potencia de diseño térmico (TDP) se debe utilizar para los objetivos de diseño de la solución térmica del procesador. La TDP no es la potencia máxima que el procesador puede disipar.
En el caso de Intel, el TDP de un chip específico tiene menos que ver con la cantidad de energía que un chip necesita usar (o puede usar) y más con la cantidad de energía que el ventilador y el disipador de calor de la computadora necesitan poder disipar mientras el chip está bajo carga sostenida. El consumo de energía real puede ser mayor o (mucho) menor que el TDP, pero la cifra tiene como objetivo brindar orientación a los ingenieros que diseñan soluciones de enfriamiento para sus productos.
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