กำลังไฟที่ใช้โดย CPU


9

ผมคิดว่าการใช้พลังงานสำหรับ CPU กับปัจจุบันที่ฉันและแรงดันไฟฟ้าUคือฉัน· U

ฉันสงสัยว่าข้อสรุปต่อไปนี้มาจากWikipediaหรือไม่

พลังงานที่ใช้โดย CPU นั้นจะแปรผันตามความถี่ของ CPU และกำลังสองของแรงดัน CPU:

P = CV 2 f

(โดยที่ C คือความจุ f คือความถี่และ V คือแรงดันไฟฟ้า)


2
มันเหมาะกับ Electronic.SE หรือ Physics.SE หรือมากกว่านี้ใช่ไหม โปรดพิจารณาการย้ายข้อมูลแทนการปิด
Tim

1
Cในสมการนั้นเป็นเพียงค่าคงที่บางตัวไม่ใช่ความจุ kinda-sorta อาจเป็น "ความจุที่มีประสิทธิภาพ" เนื่องจากมีหน่วยที่เหมาะสมสำหรับความจุ แต่ตัวประกอบนั้นผิด ดังที่คนอื่นสังเกตเห็นว่ามีสิ่งที่1/2ขาดหายไป แต่ที่สำคัญมีค่าสัมประสิทธิ์ภาระที่ขาดหายไปซึ่งเกี่ยวข้องกับส่วนของประตูที่สลับแต่ละรอบนาฬิกา เรียกมันว่าค่าคงที่แบบสัดส่วนและทิ้งไว้ที่นั้น
Ben Voigt

1
@Ben - บรรทัด(where C is capacitance, f is frequency and V is voltage). ถูกยกมาจากหน้า WP แม้ว่า
stevenvh

3
@stevenvh โปรดบอกฉันว่าคุณกำลังแก้ไขและโพสต์ข้อความใหม่ของโพสต์ที่คุณเพิ่งลบไปฉันกำลังจะให้ +1 และความคิดเห็นที่ขอให้คุณลบสิ่งประดิษฐ์ทางประวัติศาสตร์และโพสต์ข้อความสั้น ๆ ให้ชัดเจน
Kortuk

1
@Kortuk - ฉันมีคำตอบที่ดีกว่าและมีรายละเอียดมากขึ้นในหัวของฉันไม่ได้เวลาฉันจะโพสต์ในวันพรุ่งนี้
stevenvh

คำตอบ:


14

คำตอบ MSalters นั้นถูกต้อง 80% การประเมินมาจากกำลังเฉลี่ยที่จำเป็นในการชาร์จและคายประจุตัวเก็บประจุที่แรงดันคงที่ผ่านตัวต้านทาน นี่เป็นเพราะซีพียูและวงจรรวมทุกตัวเป็นชุดสวิตช์ขนาดใหญ่แต่ละอันขับอีกอันหนึ่ง

โดยทั่วไปคุณสามารถสร้างแบบจำลองเวทีเป็นอินเวอร์เตอร์ MOS (มันอาจจะซับซ้อนกว่า แต่พลังยังคงเหมือนเดิม) การชาร์จประจุความจุประตูทางเข้าของสิ่งต่อไปนี้ ดังนั้นทั้งหมดลงมาเพื่อต้านทานตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุและอีกตัวหนึ่งปล่อยประจุ (ไม่ใช่ในเวลาเดียวกันแน่นอน :))

สูตรที่ฉันจะแสดงนั้นมาจากDigital Integrated Circuits - มุมมองการออกแบบจาก Rabaey, Chakandrasan, Nikolic

พิจารณาตัวเก็บประจุที่เรียกเก็บโดย MOS:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

พลังงานที่นำมาจากแหล่งจ่ายจะเป็น

EVDD=0iVDD(t)VDDdt=VDD0CLdvoutdtdt=CLVDD0VDDdvout=CLVDD2

ในขณะที่พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุในตอนท้ายจะเป็น

EC=0iVDD(t)voutdt=...=CLVDD22

แน่นอนว่าเราไม่ต้องรอเวลาไม่มีที่สิ้นสุดในการชาร์จและคายประจุตัวเก็บประจุดังที่สตีเวนชี้ให้เห็น แต่มันไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัวต้านทานเพราะมันมีอิทธิพลต่อแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายของตัวเก็บประจุ แต่นั่นเราต้องการให้แรงดันยกเลิกประตูต่อไปนี้ก่อนที่จะพิจารณาแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว สมมุติว่ามันคือ 95% Vdd และเราสามารถแยกมันออกมาได้

ดังนั้นความต้านทานเอาท์พุทของ MOS จึงเป็นอิสระจากพลังงานครึ่งหนึ่งที่คุณเก็บไว้ในตัวเก็บประจุเพื่อประจุที่แรงดันคงที่ พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุจะถูกกระจายไปยัง pMOS ในเฟสการคายประจุ

หากคุณพิจารณาว่าในรอบการสลับจะมีการเปลี่ยน L-> H และ H-> L และกำหนด fS ความถี่ที่อินเวอร์เตอร์นี้เสร็จสิ้นรอบคุณมีการกระจายพลังงานของเกทง่าย ๆ นี้คือ:

P=EVDDt=EVDDfS=CLVDD2fS

โปรดทราบว่าถ้าคุณมีประตู N ประตูก็เพียงพอแล้วที่จะเพิ่มกำลังไฟโดย N ตอนนี้สำหรับวงจรที่ซับซ้อนสถานการณ์จะซับซ้อนขึ้นเล็กน้อยเนื่องจากประตูบางส่วนจะไม่เดินทางด้วยความถี่เดียวกัน คุณสามารถกำหนดพารามิเตอร์α<1 เป็นส่วนเฉลี่ยของประตูที่เปลี่ยนไปทุกรอบ

ดังนั้นสูตรจึงกลายเป็น

PTOT=αNCLVDD2fS

การสาธิตเล็ก ๆ ของเหตุผลเพราะปัจจัย R: ขณะที่สตีเวนเขียนพลังงานในตัวเก็บประจุจะเป็น:

EC=VDD2C2(1e2TchargeRC)

เห็นได้ชัดว่า R เป็นปัจจัยของพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุเนื่องจากเวลาในการชาร์จ จำกัด แต่ถ้าเราบอกว่าประตูจะต้องเสียค่าใช้จ่าย 90% Vdd เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงเสร็จสมบูรณ์กว่าที่เรามีอัตราส่วนคงที่ระหว่าง Tcharge และ RC ซึ่งก็คือ:

Tcharge=log(0.1)RC2=kRC

คนหนึ่งเลือกมันเรามีพลังงานอีกครั้งซึ่งเป็นอิสระจากอาร์

โปรดทราบว่าได้รับการรวมกันจาก 0 ถึง kRC แทนอนันต์ แต่การคำนวณมีความซับซ้อนมากขึ้นเล็กน้อย


คำตอบที่ดียกเว้นมันพลาดภาพใด ๆ สำหรับฉันที่จะตรวจสอบความถูกต้องทางเทคนิคด้วย
Kortuk

ขอบคุณ! (1) คุณยังหมายถึง $ E_ {VDD} $ โดย $ E $ หรือไม่ (2) ที่ไหนหารด้วย 2 ในสูตรราคา $ P $? (3) ในวงจรกระแสตรงหรือกระแสสลับคืออะไร?
ทิม

@ เวลาใช่พลังงานในวงจรคือ Evdd เพราะมันเป็นประจุที่จำเป็นในการชาร์จตัวเก็บประจุ ครึ่งที่เก็บไว้จะกระจายไปในการปล่อย กระแสไฟฟ้าไม่ได้เป็นทั้งสองอย่างนี้เป็นกระแสผันแปรที่จะมีลักษณะเป็นเลขชี้กำลัง (เหมือนครีบ) ของการชาร์จและการปลดหมวก
clabacchio

ขอบคุณ! (1) ฉันยังไม่ค่อยเข้าใจว่าจะไม่มีการหารด้วย 2 ในสูตรของ $ E_C $ ในขณะที่มีในสูตรสำหรับ $ E_VDD $ (2) ฉันดูที่ Wikipedia แต่ไม่สามารถเข้าใจแนวคิดของ DC และ AC ได้ดีพอที่จะเข้าใจประโยคสุดท้ายของคุณในความคิดเห็นของคุณ คุณช่วยอธิบายพวกเขาได้อย่างไรและทำไมกระแสที่นี่ถึงไม่ใช่พวกมัน?
ทิม

@Tim Ec ถูกหารด้วย 2 ด้วยเหตุผลที่มาจากฟิสิกส์และคุณสามารถได้มาจากสมการ (ที่ฉันตัดให้สั้นลง) สัญญาณมีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไปดังนั้น (t) และไม่ใช่ AC หรือ DC แต่ในที่สุดก็คล้ายคลึงกับอดีต มันไม่แน่นอนเพราะขึ้นอยู่กับการทำงานของประตู
clabacchio

7

ฉันโพสต์คำตอบอื่นก่อนหน้านี้ แต่ไม่ดีภาษาที่ไม่เหมาะสมและฉันต้องการขอโทษที่ทำเครื่องหมาย

ฉันกำลังคิดเรื่องนี้อยู่และฉันคิดว่าปัญหาของฉันที่นี่คือข้อความที่ยกมาแสดงให้ฉันเห็นว่าความจุมีความรับผิดชอบต่อการกระจายพลังงาน ซึ่งไม่เป็นเช่นนั้น มันต้านทาน

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

คลิกที่นี่เพื่อดาวน์โหลด MOS MOSFETs พร้อมกับตัวเก็บประจุจะสร้างปั๊มประจุ เมื่อเอาต์พุตสูง P-MOSFET จะดำเนินการมันจะเรียกเก็บประจุจากVDDเมื่อมันไปต่ำตัวเก็บประจุจะถูกปล่อยออกไป VSSผ่าน N-MOSFET MOSFET ทั้งสองมีความต้านทานต่อซึ่งทำให้พวกเขากระจายอำนาจระหว่างการชาร์จ / การคายประจุ ตอนนี้เบ็นแสดงให้เห็นว่าค่าความต้านทานไม่สำคัญในขณะที่ฉันพูดตรงข้าม เราทั้งคู่พูดถูกและผิดทั้งคู่ด้วย

First Ben: แรงดันตัวเก็บประจุและกระแสแตกต่างกันอย่างมากระหว่างการชาร์จ ปัจจุบัน

I=VDDRetRC

P=I2R=VDD2Re2tRC

และการบูรณาการเมื่อเวลาผ่านไปจะช่วยให้เรากระจายพลังงานในตัวต้านทาน:

ยู=VDD2Rเสื้อ=0อี-2เสื้อRdเสื้อ=VDD2RR2=VDD22

ซึ่งแน่นอนเป็นอิสระจาก R. ดังนั้นดูเหมือนว่าเบ็นจะถูกต้อง

ตอนนี้ฉัน "ไม่มีที่สิ้นสุด! คุณออกไปจากใจของคุณหรือไม่งานนี้จะต้องทำใน 0.3ns!" ที่โรงเรียนเราดูเหมือนว่าจะมีอายุนานกว่าที่จะเรียกเก็บประจุ ถ้าเสื้อ แน่นอนที่เราได้รับ

ยู=VDD2Rเสื้อ=0เสื้อ1อี-2เสื้อRdเสื้อ=VDD22(1-อี-2เสื้อR)

แล้ว Rยังคงเป็นปัจจัย
ในทางปฏิบัติมันจะไม่สำคัญอย่างไรก็ตามR«TLOK.

ฉันตัดมุมที่นี่โดยสมมติว่า Rมีค่าคงที่ แต่มันไม่ใช่เรื่องง่ายR(เสื้อ) ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของเกตซึ่งขึ้นอยู่กับเส้นโค้งประจุของเกตซึ่งขึ้นอยู่กับ R. ง่ายถ้าเป็นระบบเชิงเส้น แต่นี่ไม่ใช่ดังนั้นฉันเลือกสำหรับการเอ็กซ์โพเนนเชียลเป็นการประมาณ

สรุป: ในขณะที่การกระจายจะแสดงในแง่ของ มันเกิดขึ้นค่ะ Rซึ่งเมื่อแรกเห็นดูเหมือนจะไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับมัน

สิ่งที่สามารถทำได้เกี่ยวกับมัน? ลดRไม่มีประโยชน์ เราลดได้ไหม? มันจะช่วยลดประจุที่ถูกระบายออกไปVDD ถึง VSSแต่เราต้องการ . ความจุของเกตคือสิ่งที่ทำให้ MOSFET ทำงานได้!

เกิดอะไรขึ้นถ้า Rเป็นศูนย์หรือไม่? ถ้าอย่างนั้นเราก็ไม่มีทางแยกกันใช่มั้ย ในกรณีนั้นการสลับจะให้อนันต์dผม/dเสื้อซึ่งจะทำให้พลังงานสวิตชิ่งเปลี่ยนเป็นรังสีแทนที่จะกระจายไป แต่ปริมาณพลังงานจะเท่ากัน CPU ของคุณจะร้อนน้อยลง แต่จะเป็นเครื่องส่งสัญญาณรบกวนคลื่นความถี่วิทยุกว้าง 100W


ไม่เห็นด้วย :) ย่อหน้าของคุณเกี่ยวกับเวลา จำกัด นั้นถูกต้อง แต่ถือว่าเราแก้ไขเวลาที่เราให้สำหรับการเปลี่ยนแปลงในขณะที่สิ่งที่ได้รับการแก้ไขคือแรงดันไฟฟ้าที่เราถือว่าการเปลี่ยนแปลงเสร็จสิ้น ตัวต้านทานจะหายไปอีกครั้งเพราะมันเป็นตัวกำหนดความเร็วสูงสุดของ CPU และเป็นเหตุผลที่ดีกว่าที่จะลดขนาดความจุ (หนึ่งในเหตุผล)
clabacchio

โปรดทราบว่าฉันมักจะเว้นระยะห่างมากสำหรับข้อผิดพลาดในคำตอบของฉัน แต่นี่คือ - เกือบ - คัดลอกมาจากหนังสือที่มีราคาแพงมาก :) ฉันเชื่อมั่นในความแม่นยำ (แนวความคิด) มากกว่าความผิดอื่น ๆ
clabacchio

@clabacchio - Ben คือ Ben Voigt ที่แสดงความคิดเห็นกับคำตอบอื่นของฉัน ตัวต้านทานจะหายไปอีกครั้งเนื่องจากเวลา RC สั้น แต่ไม่มีเหตุผลใดที่คุณไม่ควรหยุดการชาร์จด้วยความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่สูงกว่าหากการชาร์จ 90% นั้นเพียงพอ หนังสือราคาแพงมากของฉันคือหัวของฉัน (บางครั้งด้วยความช่วยเหลือของ Mathematica) :-)
stevenvh

เหตุผลของฉันแตกต่าง: ฉันบอกว่าไม่ใช่เพราะ t >> RC (มันจะเป็นการสิ้นเปลืองทรัพยากร) แต่ t = kRC โดยที่ k เป็นข้อ จำกัด การออกแบบที่ทำให้แรงดันไฟฟ้าแกว่งเพียงพอ หากคุณใช้ k เดียวกันเสมอปัจจัยนั้นก็จะหายไป (เช่นเดียวกับสัมผัส) สิ่งที่เกี่ยวกับหนังสือเล่มนี้คือการทำให้ชัดเจนว่าฉันไม่สนับสนุนการเรียกร้องของฉันเพียงเพื่อความเย่อหยิ่ง
clabacchio

วิธีที่ดีกว่าคือ :-) ฉันยังซ่อนเนื้อหาจากผู้ใช้ตัวแทน + 10k ฉันคิดว่า Kortuk คิดบวกกับมันมากเกินไป เกี่ยวกับ RC ฉันคิดว่าเรากำลังพูดแบบเดียวกัน หาก k = 2.3 ของคุณคุณจะอยู่ที่ 90% ของฉัน
stevenvh

3

การดึงพลังงานหลักของซีพียูนั้นเกิดจากการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุระหว่างการคำนวณ ประจุไฟฟ้าเหล่านี้กระจายตัวในตัวต้านทานทำให้พลังงานไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกลายเป็นความร้อน

ปริมาณของพลังงานในแต่ละตัวเก็บประจุคือ C ฉัน / 2 · V 2 หากเก็บประจุนี้เป็นค่าใช้จ่ายและออกครั้งต่อวินาทีพลังงานที่จะเข้าและออกเป็นC ฉัน / 2 · V 2 ·ฉ ผลรวมสำหรับตัวเก็บประจุแบบสวิตช์ทั้งหมดและการแทนที่ C = ΣC i / 2 คุณจะได้รับC · V 2 · f


ขอบคุณ! ทำไม C = ΣCi / 2 ไม่ใช่ C = ΣCi คุณจะทำการหารด้วย 2 หายไปได้อย่างไร
ทิม

1
@Tim: บริสุทธิ์เป็นเรื่องของคำจำกัดความ ในทางปฏิบัติค่าCของ CPU วัดโดยตรง

ในซีรีส์ 1 / C = \ sum_i 1 / C_i; ในแบบคู่ขนาน C = \ sum_i, C_i ไม่มีสูตรของคุณ C = 1/2 \ time \ sum_i C_i นี่คือความสับสนของฉัน
ทิม

1
@Tim: นั่นคือสมมติว่าตัวเก็บประจุจะเดินสายในแบบคู่ขนานอยู่แล้ว ( sum_i) ด้วยการเปิดประตูทั้งหมดบนซีพียูนี่ไม่ใช่สิ่งที่ได้รับ แต่เหตุผลหลักที่ฉันลด 1/2 เป็นเพราะฉันใช้วิธีการทางวิศวกรรมไม่ใช่วิธีฟิสิกส์ที่บริสุทธิ์ CPU ไม่ได้ทำหน้าที่เป็นตัวเก็บประจุอยู่แล้ว Cค่าไม่เกี่ยวข้องกับ(dV/dt)/I; มันเป็นเพียงการตั้งข้อสังเกตเกี่ยว Contant P , VและF

@Tim: ถ้าคุณเก็บ 1/2 มันจะยกเลิกคุณจะได้รับค่าความจุที่แตกต่างกัน ยกตัวอย่างเช่นการแก้ปัญหาสำหรับ C, คุณจะได้รับอย่างใดอย่างหนึ่งหรือV^2·F/P (1/2)·V^2·F/Pสมมติว่าคุณเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าความถี่และกำลังไฟฟ้า ด้วยสมการแรกคุณจะได้V1^2·F1/P1 = V2^2·F2/P2และอีกกรณีหนึ่งคุณจะได้(1/2)V1^2·F1/P1 = (1/2)V2^2·F2/P2ซึ่งก็คือสิ่งเดียวกัน
David Schwartz

2

การประจุกระแสไฟเป็นวัดในfaradsซึ่งเป็นCoulombsต่อโวลต์

ความถี่ถูกวัดเป็นเฮิร์ตซซึ่งเป็นหน่วยต่อวินาที

การลดเราจะได้ Coulomb-Volts ต่อวินาทีหรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อWattsซึ่งเป็นหน่วยของพลังงาน


1
นี่ไม่ได้ตอบว่าทำไม
Kortuk

0

โดยทั่วไปแล้วกระแสไฟฟ้าที่ใช้โดยอุปกรณ์จะเป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเป็นแรงดัน * กระแสไฟฟ้าจะแปรผันตามกำลังสองของแรงดัน


1
ที่อยู่ไกลจาก "โดยทั่วไป" ในความเป็นจริงมีชื่อพิเศษสำหรับอุปกรณ์ดังกล่าว: โหลด Ohmic (จากกฎของ Ohm, V = I · R)

0

สมการของคุณถูกต้องสำหรับพลังงานที่ดึงมาในทันทีโดยเฉพาะ แต่กระแสที่ CPU ดึงออกมานั้นไม่คงที่ ซีพียูทำงานที่ความถี่และสถานะการเปลี่ยนแปลงเป็นประจำ มันใช้พลังงานจำนวนหนึ่งสำหรับการเปลี่ยนสถานะแต่ละครั้ง

หากคุณเข้าใจว่าฉันเป็นกระแส RMS (รากที่สองของค่าเฉลี่ยของกำลังสองของกระแส) จากนั้นสมการของคุณถูกต้อง คุณจะได้รับ:

V · I (Rms) = C · V ^ 2 · F
I (Rms) = C · V · F

ดังนั้นกระแสเฉลี่ยจะแปรผันเป็นเส้นตรงกับแรงดันไฟฟ้าความถี่และความจุ พลังงานจะแตกต่างกันไปตามกำลังไฟของสแควร์ของ DC


ขอบคุณ! คำถามของฉันคือทำไม V · I (Rms) = C · V ^ 2 · F? คุณมีการอ้างอิงบางอย่างสำหรับสูตรนั้นหรือไม่?
ทิม

ฉันไม่ค่อยเข้าใจในสิ่งที่คุณอยากรู้
David Schwartz

ทำไม V · I (Rms) = C · V ^ 2 · F จริง คุณเรียนรู้จากสิ่งใด
ทิม

มันเป็นความจริงเพราะมันรวมสมการกำลังสองอันเข้าด้วยกันซึ่งแต่ละอันนั้นถูกต้อง ที่Iจะต้องมีอำนาจ RMS สำหรับP=V·Iที่จะให้พลังงานเฉลี่ยสามารถพิสูจน์ได้นิด ๆ P = I^2·Rกับแคลคูลัสจาก
David Schwartz

1
@Tim: ถ้าคุณหารด้วยสองคุณก็ต้องเพิ่มความจุและสมการก็เท่าเดิม หากคุณต้องการหารด้วยสองคุณสามารถ คุณเพียงแค่ใช้หมายเลขความจุที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าของที่คนอื่นใช้และคุณจะได้รับคำตอบเหมือนกัน (เราใช้ฟุต 12 นิ้ว แต่คุณสามารถใช้ฟุต 6 นิ้วได้ถ้าคุณต้องการคุณยังสามารถออกแบบรถยนต์อาคารและสะพานคุณจะเรียกมันว่าขนาดแตกต่างจากคนอื่น ๆ )
David Schwartz
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.