为什么工作的处理器更努力地使用更多的电能?

电器工程 处理器 力量
2022-01-24 03:56:55

回到我开始编码时的迷雾中,至少据我所知,处理器都使用固定量的功率。没有处理器“空闲”这样的事情。

如今,有各种各样的技术可以在处理器不是很忙时降低功耗,主要是通过动态降低时钟频率。

我的问题是为什么以较低的时钟速率运行会消耗更少的功率?

我对处理器的印象是参考电压(比如 5V)代表二进制 1,0V 代表 0。因此我倾向于认为整个芯片上施加一个恒定的 5V,各种逻辑门断开该电压当“关闭”时,表示正在使用恒定的电量。这些门打开和关闭的速率似乎与使用的功率无关。

我毫不怀疑这是一幅无可救药的幼稚画面,但我不是电气工程师。有人可以解释频率缩放的实际情况,以及它如何节省电力。处理器是否有任何其他方式可以根据状态使用更多或更少的功率?例如,如果更多的门打开,它会使用更多的电力吗?

移动/低功耗处理器与其桌面表亲有何不同?它们只是更简单(更少的晶体管?),还是有其他一些基本的设计差异?

4个回答

这些门打开和关闭的速率似乎与使用的功率无关。

这是你错的地方。基本上,每个门都是一个电容非常小的电容器。通过“连接”和“断开”电压来打开和关闭它,将非常小的电荷移入或移出栅极 - 这就是它的行为不同的原因。

移动的电荷是电流,它使用电力。每秒数十亿次开关的数十亿个门的所有这些微小电流加起来相当多。

正如 SK-logic 的评论所指出的那样,大部分功率实际上都花在了切换触发器而不是稳定状态上。

对于动态减少,您可以做两件主要的事情 IIRC。

  1. 如果芯片的整个区域都没有被计时,您可能会完全关闭这些区域的电源

  2. 时钟树本身是系统中最大的功耗之一,主要是因为它是系统中最快的开关部分。因此,降低时钟树本身的功耗非常重要。

电子电路消耗的功率有两个组成部分:

  • 泄漏,或多或少与频率常数无关,取决于技术和工作电压;
  • 开关功率,取决于频率(这是由于加载和卸载各种电容、晶体管和电线)

为了减少消耗,处理器设计人员使用了几种技术:

  • 根据负载修改频率(这将仅作用于开关电源)
  • 在不需要时降低功率甚至关闭部分电路

这些技术的结果是,根据您的负载,您可能会从功耗 POV 中获得更好的效果,要么降低频率,要么全速进行“冲刺”,然后切断电路的子集。

以较低的时钟频率运行不会影响执行固定任务所需的能量。如果考虑到泄漏,它甚至可能会增加所需的能量,并且能够完全关闭。

较低的时钟频率确实可以节省能源,可以降低工作电压。降低电压通常可以节省足够的电力来补偿需要保持更长时间的活动。