อุปกรณ์ / เครื่องมือเครื่องใช้ดึงกระแสได้มากขึ้นเมื่อจำเป็นอย่างไร

สมมติว่าฉันมีคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปและฉันตัดสินใจที่จะทำสิ่งที่ต้องใช้กำลังการประมวลผลมากขึ้น ในกรณีนี้คอมพิวเตอร์ของฉันจะวาดกระแสมากขึ้นเพื่อเพิ่มพลังงาน ปัจจุบันนี้มีการเพิ่มขึ้นอย่างไร คอมพิวเตอร์ของฉันเปิดวงจรแบบขนานมากขึ้นหรือไม่ดังนั้นความต้านทานโดยรวมจะลดลง? หรือมีโพเทนชิโอมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์หรืออย่างอื่นอย่างสมบูรณ์ เทคนิคที่ใช้ในคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปเหมือนกับว่าฉันกำลังเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของเตาอบหรือไม่?

ความช่วยเหลือใด ๆ ที่ชื่นชมอย่างมาก

ฉันตัดสินใจที่จะทำสิ่งที่ต้องการพลังการประมวลผลมากขึ้น ในกรณีนี้คอมพิวเตอร์ของฉันจะวาดกระแสมากขึ้นเพื่อเพิ่มพลังงาน

อีกด้านหนึ่ง: คอมพิวเตอร์จะทำสิ่งต่าง ๆ มากขึ้นและจะทำให้สิ้นเปลืองพลังงานมากขึ้น

คอมพิวเตอร์ของฉันเปิดวงจรแบบขนานมากขึ้นหรือไม่ดังนั้นความต้านทานโดยรวมจะลดลง?

นี่เป็นเรื่องจริง ยกเว้นว่าคอมพิวเตอร์ไม่ได้ทำงานในการไหลของกระแสอย่างต่อเนื่องพวกเขาทำงานในการปะทุที่ขับเคลื่อนด้วยนาฬิกาภายใน การกระทำแต่ละอย่างเกี่ยวข้องกับการวาดกระแสไฟฟ้าเพื่อเปิดทรานซิสเตอร์หรือการจมกระแสไฟฟ้าเพื่อปิดมันอีกครั้ง คูณทรานซิสเตอร์หนึ่งพันล้านครั้งต่อวินาที การคำนวณเพิ่มเติมเกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์มากขึ้น

ในระดับสูงใช่คุณพูดถูกว่าคอมพิวเตอร์เปิดทรานซิสเตอร์มากขึ้นหรืออย่างน้อยก็เปลี่ยนทรานซิสเตอร์มากขึ้นเมื่อใช้พลังงานมากกว่า ตัวอย่างเช่นหากคุณมีตัวคูณฮาร์ดแวร์และโดยทั่วไปคุณไม่ได้ใช้ทรานซิสเตอร์ในตัวคูณจะไม่เปิดและดังนั้นจะไม่ดึงดูดกระแสมาก หากรหัสร้องขอการคูณในขณะนี้ทรานซิสเตอร์ในนั้นจะเริ่มสลับและจะลดความต้านทานระหว่าง VDD และกราวด์ สิ่งนี้จะดึงดูดกระแสมากขึ้น การดึงปัจจุบันจะลดแรงดัน VDD ตอนนี้ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าสลับจะตรวจจับแรงดันตกคร่อมและเตะที่รอบหน้าที่สูงขึ้นเพื่อให้ความสามารถในปัจจุบันสูงและประมาณแรงดันคงที่

ที่ระดับสูงในวงกว้างวงจรร้องขอกระแสมากขึ้นโดยลดความต้านทานลงเนื่องจากวงจรส่วนใหญ่ทำงานด้วยแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าคงที่

คอมพิวเตอร์สมัยใหม่ใช้ประตูแบบลอจิกที่ออกแบบมาเพื่อใช้พลังงานน้อยมากเมื่อพวกเขาอยู่ในสถานะคงที่ แต่ใช้พลังงานระเบิดเพื่อเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีก

หากคอมพิวเตอร์ไม่ได้ใช้งานโปรเซสเซอร์จะอยู่ในสถานะสลีปเป็นเวลานาน วงจรส่วนใหญ่จะไม่ทำอะไรเลยและใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย เช่นเดียวกันกับส่วนประกอบอื่น ๆ เช่น GPU ของการ์ดกราฟิก

ถ้าคุณให้บางสิ่งบางอย่างมันก็จะทำงานได้มากขึ้น ประตูกำลังเปิดและปิดบ่อยขึ้นดังนั้นพวกเขาจึงใช้พลังงานมากขึ้น

นอกจากนี้คอมพิวเตอร์หลายเครื่องโดยเฉพาะแล็ปท็อปได้รับการออกแบบมาเพื่อปิดส่วนทั้งหมดของคอมพิวเตอร์หากไม่ได้ใช้งาน ตัวอย่างเช่นเว็บแคมในแล็ปท็อปจะถูกปิดจนกว่าคุณจะเปิดแอปพลิเคชันที่ใช้งาน

มีกลไกหลายอย่างสำหรับการใช้พลังงานในระดับชิป

เมื่อสลับวงจรจะมีตัวเก็บประจุกาฝากภายในในทรานซิสเตอร์และอุปกรณ์เชื่อมต่อทั้งหมด (ภายในบนชิปและภายนอก) ตัวเก็บประจุเหล่านี้จะต้องถูกชาร์จและคายประจุเมื่อปิดวงจรโหนดจากปิดเป็นเปิด (หรือปิดเป็น) ตัวเก็บประจุมีขนาดเล็ก แต่เมื่อคุณมีหลายพันล้านสลับเป็นพันล้านครั้งต่อวินาทีมันจะเพิ่มขึ้น (พลังนี้กระจายไปตามความต้านทานขององค์ประกอบวงจรรวมถึงความต้านทานต่อกาฝากในตัวเก็บประจุแบบกาฝาก)

องค์ประกอบวงจรทั้งหมดยังมีความต้านทานเพื่อให้กระแสไหลได้ทุกที่ในวงจรสร้างความร้อนและสิ้นเปลืองพลังงาน เมื่อสวิตช์วงจรโหนดตัวเก็บประจุกาฝากบนอุปกรณ์โหลดด้านต้องมีการเปลี่ยนแปลงหรือปล่อยและต้องใช้กระแสปัจจุบันซึ่งในทางกลับกันจะสร้างความร้อนและสิ้นเปลืองพลังงาน

การใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบทั้งสองนี้จะแตกต่างกันไปตามจำนวนการดำเนินการสลับโหนดภายในซึ่งหมายความว่าการใช้พลังงานจะแตกต่างกันไปตามกิจกรรม (และความเร็วนาฬิกา) ของโปรเซสเซอร์และองค์ประกอบอื่น ๆ

ทรานซิสเตอร์และส่วนประกอบอื่น ๆ ภายในวงจรรวมมีกระแสรั่วไหล สิ่งนี้จะสร้างการใช้พลังงานพื้นฐาน (คงที่) ที่ยังคงเกิดขึ้นเมื่อโปรเซสเซอร์ไม่ทำงาน ระบบพลังงานต่ำที่ทันสมัยจำนวนมากปิดการใช้พลังงานไปยังระบบย่อยทั้งหมดบนโปรเซสเซอร์และชิปอื่น ๆ ในระหว่างโหมดสลีปหรือสถานะไม่ใช้งานเพื่อลดการใช้พลังงานแบบคงที่นี้

มีกลไกอื่น ๆ ของการใช้พลังงานในคอมพิวเตอร์ (พลังงานของแหล่งจ่ายไฟอย่างต่อเนื่องเป็นต้น) แต่สิ่งเหล่านี้จะช่วยให้คุณเข้าใจว่าทำไมการใช้พลังงานนั้นแตกต่างกันไปและทำไมยังมีการใช้พลังงานบางอย่างเมื่อไม่มีงานทำ

ไอซีที่แตกต่างกันในคอมพิวเตอร์แต่ละเครื่องจะมีการจับกระแสไฟฟ้าที่ต่างกัน นี่คือข้อมูลบางส่วนจาก Atmega328P ซึ่งเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ 8-bit 16 MHz ที่ใช้ใน Arduino Uno และบอร์ดอื่นที่คล้ายคลึงกัน

ไอซีที่แตกต่างกันในคอมพิวเตอร์แต่ละเครื่องจะมีการจับกระแสไฟฟ้าที่ต่างกัน นี่คือข้อมูลบางส่วนจาก Atmega328P ซึ่งเป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ 8-bit 16 MHz ที่ใช้ใน Arduino Uno และบอร์ดอื่นที่คล้ายคลึงกัน

ตัวอย่าง: คำนวณการสิ้นเปลืองกระแสไฟฟ้าที่คาดไว้ในโหมดว่างโดยเปิดใช้งาน TIMER1, ADC และ SPI ที่ VCC = 2.0V และ F = 1MHz จากตารางปริมาณการใช้ปัจจุบันเพิ่มเติม (เปอร์เซ็นต์) ในโหมด Active และ Idle ในส่วนก่อนหน้าคอลัมน์ที่สามเราเห็นว่าเราต้องเพิ่ม 14.5% สำหรับ TIMER1, 22.1% สำหรับ ADC และ 15.7% สำหรับโมดูล SPI อ่านจากรูปที่ Idle Supply ปัจจุบันเทียบกับความถี่ต่ำ (0.1-1.0MHz) เราพบว่าปริมาณการใช้งานที่ไม่ได้ใช้งานอยู่ที่ ~ 0.045mA ที่ VCC = 2.0V และ F = 1MHz ปริมาณการใช้กระแสไฟทั้งหมดในโหมดเดินเบาที่เปิดใช้งาน TIMER1, ADC และ SPI จะให้: ICCtotal ≃ 0.045 mA⋅ (1 + 0.145 + 0.221 + 0.157) ≃ 0.069 mA

(ช่วยให้แผ่นข้อมูลเปิดเพื่อดูตารางต่างๆ)

สำหรับคอมพิวเตอร์ที่ทำงานที่ 3.2 GHz (เร็วกว่า 200 เท่า) และอาจเป็นแรงดันไฟฟ้าแกนตรรกะ 1.8V (และ 4 หรือ 8 คอร์สำหรับมัลติเธรด) แรงดันไฟฟ้า 3.3V IO พูดคุยกับหน่วยความจำและชิปวิดีโอและคอนโทรลเลอร์ฮาร์ดดิสก์และ USB คอนโทรลเลอร์และอีเธอร์เน็ตหรือคอนโทรลเลอร์ไร้สายการคำนวณจะคล้ายกันโดยแต่ละชิปจะเพิ่มจำนวนของตัวเองลงในยอดรวม คุณสามารถดูได้ว่าเหตุใดโปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์จึงมีฮีทซิงค์ขนาดใหญ่อยู่ด้านบนโดยมีพัดลมระบายความร้อนพัดผ่าน

สิ่งที่เกิดขึ้นคือคอมพิวเตอร์ไม่เพิ่มการป้อนพลังงาน แต่คอมพิวเตอร์ใช้พลังงานมากกว่าที่มีอยู่ แต่ละส่วนในคอมพิวเตอร์ของคุณมีทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กที่ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ เพื่อให้พวกเขาเปิดหรือเปลี่ยนแปลงสถานะของพวกเขาจำเป็นต้องใช้พลังงานเล็กน้อย

เมื่อเพิ่มส่วนประกอบที่ดีขึ้นหรือซับซ้อนมากขึ้นพลังงานที่จำเป็นในการเปลี่ยนทรานซิสเตอร์เหล่านี้จะเพิ่มขึ้นเนื่องจากมีจำนวนมากขึ้น แน่นอนว่ายังมีปัจจัยอื่นอีกเช่นขนาดของทรานซิสเตอร์การรั่วไหลเป็นต้น แต่ในระดับพื้นฐานที่สุดสิ่งนี้เกิดขึ้น

นอกจากนี้ยังมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่สามารถส่งได้ตามปกติโดยแหล่งจ่ายไฟของคุณ ลองจินตนาการถึงสิ่งนี้: เมื่อคุณปั่นจักรยานคุณจะต้องใส่พลังงานเข้าไปในนั้น ตอนนี้คุณได้จักรยานใหม่ที่มีล้อที่ดีกว่านี้ แต่คุณต้องใส่แรงมากขึ้น ไม่ใช่ล้อที่ "ขอ" เพื่อเพิ่มพลัง มันเป็นเพียงแค่ว่ามันจำเป็นต้องได้รับการเคลื่อนย้ายและดำเนินการต่อไป แน่นอนว่ายังมีข้อ จำกัด เกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่คุณสามารถใส่เข้าไปก่อนที่มันจะกลายเป็นพลังงานมากเกินไป ถ้าคุณไปเรื่อย ๆ คุณจะปวดกล้ามเนื้อ

ในคอมพิวเตอร์หากมีการดึงพลังงานมากเกินไปมันจะไม่เสถียรเช่นเดียวกับที่คุณจะไม่สามารถใช้จักรยานที่ต้องใช้พลังงานมากเกินไปในการเดินทาง ดังนั้นในระยะสั้นมันไม่ใช่คอมพิวเตอร์ที่ตัดสินว่าควรใช้พลังงานเท่าไรมันเป็นส่วนประกอบที่ดึงพลังงานนี้ออกจากแหล่งจ่ายไฟและให้พลังงานเท่าที่ทำได้

ลองวาดภาพ (แผนภาพการเดินสาย, แผนผัง) เพื่ออธิบาย

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

เมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าของสายไฟจะเปลี่ยนจาก 99.999 โวลต์เป็น 99.998 โวลต์

ขอให้สังเกตความต้านทานที่ต่ำมากของสายไฟคือสาเหตุของแรงดันไฟฟ้าของสายไฟฟ้าเกือบคงที่