सीपीयू में, गणना की गति उत्पन्न गर्मी को प्रभावित करती है?

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एक उदाहरण के रूप में सीपीयू लें जो आधुनिक कंप्यूटर सीपीयू (इंटेल, एएमडी, जो भी हो) की तरह अपनी घड़ी की गति को बदलने में सक्षम है। जब यह किसी विशेष घड़ी की गति पर एक निश्चित गणना करता है, तो क्या यह उतनी ही गर्मी उत्पन्न करता है, जब यह एक धीमी घड़ी की गति पर समान गणना करता है? मुझे पता है कि गर्मी लंपटता और हीट बिल्डअप अलग-अलग मुद्दे हैं, तो चलिए सिर्फ कच्ची गर्मी के बारे में बात करते हैं।

thermal processor

— user3629081
स्रोत

उच्च गति के साथ की गई गणना में थोड़ा समय लग रहा है।

— यूजीन श।

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एक कंप्यूटर में जो लैंडौअर अर्थ में आदर्श है, मुझे लगता है कि गणना गर्मी ऊर्जा की समान मात्रा का उत्पादन करेगी। लेकिन वास्तविक दुनिया के कंप्यूटरों में, शायद यह अलग होने जा रहा है। विशेष रूप से क्योंकि गर्मी की मात्रा जो पहले से ही उत्पन्न हुई है और अभी तक विघटित नहीं हुई है (यानी अर्धचालक का तापमान) इसके गुणों को प्रभावित करने वाला है और इस प्रकार यह गर्मी उत्पन्न करता है।

— अंगीठी

बेशक, मैंने कुछ FPGAs के डिजाइन तैयार किए हैं और हमें कम बिजली की जरूरत है। इसलिए, हमने 1MHz स्रोत के बजाय 10kHz क्लॉक स्रोत का उपयोग किया क्योंकि हमें उतनी प्रसंस्करण शक्ति की आवश्यकता नहीं थी।

— लुकास92

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गतिशील बिजली की खपत तुल्यकालिक ckts में घड़ी की आवृत्ति के वर्ग के लिए आनुपातिक है। इसलिए गर्मी भी बढ़नी चाहिए।

— मीतू राज

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@MITURAJ, गतिशील बिजली की खपत घड़ी की गति के आनुपातिक है। घड़ी की गति का वर्ग नहीं। वोल्टेज के वर्ग के लिए आनुपातिक।

— mkeith

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घड़ी की गति के अलावा, ध्यान रखें कि एक वास्तविक "बड़े" सीपीयू में (जिसमें कैश है, एक एमएमयू, टीएलबी, पाइपलाइड निष्पादन, SIMD, आदि) एक और महत्वपूर्ण कारक है कि कितनी गर्मी उत्पन्न होती है यह निर्देश प्रवाह कितनी अच्छी तरह से होता है उपलब्ध सीपीयू संसाधन। यदि आप एक प्रोग्राम चलाते हैं जो मेमोरी-इंटेंसिव है, तो अधिकांश समय सीपीयू सिर्फ डेटा के लिए भूखा रहेगा, कुछ भी नहीं करेगा, इसलिए उत्पादित गर्मी अपेक्षाकृत कम होगी। तंग छोरों के साथ एक शुद्ध रूप से गणना कोड अधिक गर्मी करेगा। इससे भी अधिक गर्मी को कसकर अनुकूलित कोड के साथ उत्पन्न किया जा सकता है जो लगभग कोई शाखा गलतफहमी पैदा नहीं करता है, SIMD इकाइयों का गहनता से उपयोग करता है, कैश का इष्टतम उपयोग करता है और आगे।

इस मोड में सीपीयू को संचालित करने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए कार्यक्रम हैं - इसे जितना संभव हो सके, पीसी के लिए प्राइम 95 एक प्रमुख उदाहरण है।

वास्तव में, यदि एक पीसी पहले से ही सभी उपलब्ध सीपीयू कोर पर प्राइम 95 चलाता है, और फिर आप समवर्ती एक और सीपीयू-गहन अनुप्रयोग (जैसे, 3 डी प्रतिपादन) शुरू करते हैं, तो आप देखेंगे कि सीपीयू ठंडा हो गया । इसका कारण यह है कि अपेक्षाकृत कम-डिमांड रेंडरिंग कोड के साथ बहुत भारी प्राइम 95 कोड (जो "सभी ट्रांजिस्टर को रोशन करता है" ) को टाइमशैयर करना पड़ता है (जिसकी संभावना बहुत सारे कैश मिस और ब्रांच मिसप्रेडिक्शन हैं - वे सीपीयू को बंद करने की अनुमति देते हैं थोड़ी देर और शांत)।

एक और बात जो आपको करनी चाहिए वह यह है कि आमतौर पर प्रत्येक सीपीयू में एक टेबल होती है जिसमें स्वीकार्य घड़ी की गति होती है, और प्रत्येक गति के साथ जुड़े कोर वोल्टेज। लोअर क्लॉक को लो वोल्टेज के साथ भी मैच किया जाता है, क्योंकि निर्माता ने निर्धारित किया है कि सीपीयू उस वोल्टेज पर स्थिर होगा। बिजली की खपत घड़ी की गति के साथ लगभग रैखिक रूप से बदलती है, लेकिन वोल्टेज के साथ चतुष्कोणीय होती है।

— anrieff
स्रोत

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किसी दी गई घड़ी की गति के लिए विद्युत द्विघात रूप से भिन्न होता है । आमतौर पर आप वोल्टेज का उपयोग घड़ी की दर को अलग-अलग करने के लिए करते हैं। नतीजतन, बिजली घन बनाम वोल्टेज है, जबकि घड़ी की गति रैखिक है। तो बिजली की खपत चौगुनी बनाम घड़ी की गति है।

— मूसबॉयस

SIMD इतनी गर्मी उत्पन्न कर सकती है कि AVX512 का बड़े पैमाने पर उपयोग करने पर कुछ CPU ओवरहीट हो जाते हैं। +1 यह इंगित करने के लिए कि वोल्टेज वृद्धि प्रासंगिक है, भी।

— वन

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@MooseBoys, सच, बहुत अच्छी बात। लेकिन यह इंगित करने के लायक है कि वास्तव में, अगर एक फुल-स्पीड सीपीयू में Vcore = 1.2V है, तो घड़ी की गति को आधा करने से Vcore = 0.6 की अनुमति नहीं होगी, यह सिर्फ काम नहीं करेगा :)

— 7

@anreiff मैं गलत हो सकता है, लेकिन मुझे लगता है कि कुछ आधुनिक इंटेल चिप्स 0.8V या तो बेकार हो जाएगा। वे उस बिंदु पर केवल ~ 700 मेगाहर्ट्ज पर हैं, और कैश संभवतः बंद है।

— mbrig

बात यह है कि वे 0V के पास नहीं जाते हैं, क्योंकि कोई उम्मीद कर सकता है कि CPU घड़ी की गति और Vcore आनुपातिक थे। यह 3.5GHz@1.2V और 0.7GHz@0.8V की तरह है। गति में कमी का वोल्टेज की तुलना में बिजली अपव्यय पर अधिक प्रभाव पड़ता है, भले ही पूर्व इसे "केवल" रैखिक रूप से प्रभावित करता हो।

— anrieff

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बिजली की खपत घड़ी की संक्रमण दर और उन प्रभावी संधारित्र फाटकों को बदलने के साथ चालन के नुकसान के लिए आनुपातिक है। तापमान में वृद्धि, हालांकि प्रति वाट सी में प्रभावी थर्मल प्रतिरोध की खपत की गई शक्ति के अनुपात में होती है, और इस प्रकार ऊर्जा से स्वतंत्र होती है, या बिजली की खपत के आधार पर कूलर या हॉट्टर चला सकती है और उस शक्ति को लंबे समय तक नहीं फैला सकती है। एक सूत्र हो सकता है जो दिखाता है कि घड़ी की गति के साथ तापमान में वृद्धि एक से अधिक शक्ति के कुछ भिन्नात्मक शक्ति है।

— टोनी स्टीवर्ट Sunnyskyguy EE75
स्रोत

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कम परिचालन आवृत्ति पर वाट क्षमता कम होगी।
एक ही कोर वोल्टेज पर कुल ऊर्जा कम घड़ी आवृत्ति पर अधिक होगी।
लेकिन अगर कोर वोल्टेज को आवृत्ति के साथ समायोजित किया जाता है तो कुल ऊर्जा कम हो सकती है।
एल्गोरिदम के लिए जो अपना अधिकांश समय I / O संचालन के लिए इंतजार कर रहे हैं, निष्पादन समय कोर घड़ी की आवृत्ति की परवाह किए बिना लगभग स्थिर रहेगा। इसलिए गणना के लिए आवश्यक कुल ऊर्जा घड़ी की आवृत्ति के अनुपात में जाएगी।

सीपीयू की बिजली की खपत में दो भाग होते हैं।

1) स्टेटिक करंट ड्रॉ (I_static)। कुछ विशेष आपूर्ति वोल्टेज और तापमान के लिए यह वर्तमान आकर्षित निरंतर है कि सीपीयू क्या कर रहा है।

CMOS तकनीक का उपयोग करके बनाए गए सीपीयू में हजारों या लाखों MOSFET ट्रांजिस्टर होते हैं। स्टेटिक करंट ड्रॉ मुख्य रूप से लाखों MOSFET ट्रांजिस्टर के संयुक्त बंद राज्य रिसाव वर्तमान के कारण है।

आपूर्ति वोल्टेज बढ़ने पर स्टैटिक करंट ड्रॉ आमतौर पर बढ़ जाता है।
सीपीयू का तापमान बढ़ने पर स्टैटिक करंट ड्रॉ आमतौर पर बढ़ जाता है।
स्टैटिक करंट ड्रॉ कई उपकरणों के लिए होता है जो डायनेमिक करंट ड्रॉ से बहुत छोटा होता है।

2) गतिशील वर्तमान ड्रा। CMOS प्रक्रियाओं का उपयोग करके निर्मित प्रोसेसर के लिए डायनेमिक करंट तब होता है जब ट्रांजिस्टर ऑन / ऑफ राज्यों के बीच स्विच करता है।

एक निर्दिष्ट आपूर्ति वोल्टेज के लिए गतिशील वर्तमान ड्रॉ आमतौर पर आवृत्ति के सीधे आनुपातिक होता है।
आपूर्ति वोल्टेज बढ़ने के साथ डायनेमिक करंट ड्रॉ बढ़ता है।

कारण निम्नानुसार है। CPU में प्रत्येक MOSFET ट्रांजिस्टर में एक निश्चित मात्रा में समाई होती है। हर बार MOSFET स्विच करता है; एक चार्ज Q = C * V को उस कैपेसिटेंस को चार्ज / डिस्चार्ज करने की आवश्यकता होती है।

प्रत्येक ट्रांजिस्टर के लिए गतिशील वर्तमान ड्रा I_dynamic = C * V * f है।

चाहे कितनी भी आवृत्ति पर निर्देशों को निष्पादित किया जाता है, एक विशेष सीपीयू (कैश और समान मेमोरी के समान व्यवहार को मानते हुए) पर परिचालन का एक विशेष सेट, डायनेमिक करंट ड्रॉ के कारण कुल आवेश (Q_program) की एक निश्चित मात्रा की खपत करता है, भले ही आवृत्ति की परवाह किए बिना। निर्देशों का निष्पादन किया जाता है।

लेकिन यदि निर्देशों को अधिक धीरे-धीरे निष्पादित किया जाता है, तो स्थिर वर्तमान ड्रा के कारण कुल शुल्क अधिक होगा क्योंकि अधिक समय बीत चुका है।

गणितीय रूप से कोई भी लिख सकता है ...

W = (I_dynamic + I_static) * V_supply

ई = डब्ल्यू * समय = क्यू_प्रोग्राम * V_supply + I_static * V_supply * समय

हम देख सकते हैं कि जैसे-जैसे घड़ी की आवृत्ति 0 तक पहुंचती है, वाट्सएप एक निश्चित मूल्य पर पहुंच जाएगा, लेकिन प्रोग्राम की गणना करने के लिए आवश्यक ऊर्जा अनंत तक पहुंच जाती है।

तो अगर (सीपीयू ट्रांजिस्टर की क्षमता के आधार पर) क्यू_प्रोग्राम को एक विशेष आपूर्ति वोल्टेज और संचालन के सेट के लिए तय किया गया है, तो आधुनिक सीपीयू अपनी घड़ी की आवृत्ति को कम करके बिजली कैसे बचाते हैं? इसका उत्तर यह है कि अधिकांश आधुनिक सीपीयू में या तो ऑनबोर्ड (या एक साथी चिप में) एक समायोज्य कोर वोल्टेज नियामक शामिल है। जब वे अपनी घड़ी की आवृत्ति कम करते हैं तो वे अपने कोर वोल्टेज को भी कम कर सकते हैं। Q_program (और E_program) तब आपूर्ति वोल्टेज के साथ आनुपातिक रूप से कम हो जाता है।

ध्यान दें कि CPU उच्च वोल्टेज पर कम वोल्टेज का उपयोग नहीं कर सकता है क्योंकि कम वोल्टेज पर ट्रांजिस्टर स्विचिंग समय बढ़ जाता है।

वाटेज वोल्टेज (स्क्वार्ड) और करंट ड्रॉ दोनों के लिए आनुपातिक है। इसलिए यदि वोल्टेज को आवृत्ति के साथ समवर्ती रूप से गिराया जाता है, तो आवृत्ति के घन के साथ वाट क्षमता गिर जाती है।

— user4574
स्रोत

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ट्रांजिस्टर ऊर्जा का उपयोग करते हैं, जो गर्मी के रूप में बर्बाद हो जाता है। दो तंत्र हैं, स्थैतिक और गतिशील ऊर्जा। स्थिर ऊर्जा स्थिर होती है, और गतिशील (स्विचिंग) ऊर्जा तब होती है जब भी यह स्थिति बदलती है (0-> 1 या 1-> 0)। गतिशील (स्विचिंग) ऊर्जा आमतौर पर स्थैतिक की तुलना में ऊष्मा का अधिक स्रोत है। आप जो गणना करना चाहते हैं, वह समान संख्या में घड़ी चक्र लेगा, और ट्रांजिस्टर बिट्स की समान संख्या को घड़ी की गति की परवाह किए बिना फ्लिप करेगा। अत: गतिशील ताप दोनों स्थितियों के लिए समान है। स्टेटिक हीट है ... स्टेटिक। इसलिए सारांश में, यह मानते हुए कि सीपीयू केवल यह 1 गणना कर रहा है, तब ऊर्जा / गर्मी की खपत ठीक उसी तरह होती है जब किसी निश्चित समय अवधि में औसतन होती है।

— बहुत झगडालू औरत
स्रोत

आप सच्चाई के किनारे की सवारी कर रहे हैं, लेकिन मैं इसे प्राप्त करने दूंगा। सीएमओएस के लिए ऊर्जा स्तर ऑपरेशन की आवृत्ति के साथ लगभग एक रैखिक रेखा में ऊपर जाता है, लेकिन वोल्टेज और ऊर्जा चौगुनी दोगुनी हो जाती है। गंदा I2R समीकरण, गति सहित नहीं।

— स्पार्क 2525

ओपी ने विशुद्ध रूप से घड़ी की गति के बारे में पूछा, कम वोल्टेज का कोई उल्लेख नहीं किया।

— टॉपकैट

उपरोक्त उत्तर में कोर वोल्टेज के लिए दंड का उल्लेख किया गया है। मुझे इस मुद्दे पर जवाब देने की जरूरत नहीं है। मैं केवल एक टिप्पणी कर रहा था - एक टिप्पणी बॉक्स में।

— स्पार्क 2525

सवाल HEAT (जूल में मापा गया) के बारे में था, न कि बिजली या तापमान के बारे में। ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है। इनपुट स्रोतों से प्राप्त ऊर्जा की छोटी मात्रा को छोड़कर और आउटपुट लोड को वितरित करने से डिवाइस में खपत होने वाली सभी ऊर्जा गर्मी हो जाएगी और अंततः नष्ट हो जाएगी। CMOS तर्क में, ऊर्जा की खपत गर्मी पैदा करती है जब मशीन राज्य बदलती है - आम तौर पर उस समय के दौरान घड़ी के चक्र के अनुसार एक बार जब फाटक 0 और 1 के बीच में होता है। इसलिए दिए गए कार्य के लिए HEAT को घड़ी की गति से स्वतंत्र होना चाहिए और पूरी तरह से निर्भर होना चाहिए घड़ी चक्रों की संख्या पर।

— richard1941

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आपके द्वारा वर्णित परिदृश्य में, गणना के लिए आवश्यक ऊर्जा घड़ी की गति पर निर्भर नहीं करती है। लेकिन गर्मी एक "स्क्विशी" शब्द हो सकती है। मान लीजिए कि गणना में 1 जूल लगता है। यदि आप इसे 1 सेकंड में करते हैं, तो यह 1 जूल / सेकंड = 1 वाट है। लेकिन अगर 2 सेकंड लगते हैं, तो यह 1 जूल / 2 सेकेंड = 0.5 जूल / सेकंड = 0.5 वाट है।

यदि गणना तेजी से की जाती है, तो प्रोसेसर निश्चित रूप से उच्च तापमान तक पहुंच जाएगा, क्योंकि ऊर्जा तेजी से जारी होती है। मुझे नहीं लगता कि इससे ज्यादा कहने की कोई बात है।

ओह, सिवाय इसके कि मैंने आपको जो संख्याएँ दी हैं, वे यथार्थवादी होने के लिए नहीं हैं। यह सिर्फ अवधारणा है।

— mkeith
स्रोत