เหตุใดโปรเซสเซอร์ทำงานหนักกว่าใช้พลังงานไฟฟ้ามากกว่า

ย้อนกลับไปในช่วงเวลาที่ฉันเริ่มเขียนโค้ดอย่างน้อยที่สุดเท่าที่ฉันรู้โปรเซสเซอร์ทั้งหมดใช้พลังงานคงที่ ไม่มีสิ่งเช่นโปรเซสเซอร์ที่เป็น "ว่าง"

ทุกวันนี้มีเทคโนโลยีทุกประเภทสำหรับลดการใช้พลังงานเมื่อโปรเซสเซอร์ไม่ว่างมากโดยส่วนใหญ่จะลดอัตรานาฬิกาแบบไดนามิก

คำถามของฉันคือทำไมการทำงานที่อัตรานาฬิกาที่ต่ำกว่าใช้พลังงานน้อยกว่า

ภาพจิตของโปรเซสเซอร์เป็นแรงดันอ้างอิง (พูด 5V) แทนไบนารี 1 และ 0V แทน 0 ดังนั้นฉันมักจะคิดว่า 5V คงที่ถูกนำไปใช้กับชิปทั้งหมดโดยมีประตูตรรกะต่างๆตัดการเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้านี้ เมื่อ "ปิด" หมายถึงการใช้พลังงานจำนวนคงที่ อัตราการเปิดและปิดประตูเหล่านี้ดูเหมือนจะไม่มีความสัมพันธ์กับพลังที่ใช้

ฉันไม่สงสัยเลยว่านี่เป็นภาพที่ไร้เดียงสาอย่างไร้ความหวัง แต่ฉันไม่ใช่วิศวกรไฟฟ้า บางคนสามารถอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นจริง ๆ กับการปรับสเกลความถี่และวิธีการประหยัดพลังงาน มีวิธีอื่นใดที่โปรเซสเซอร์ใช้พลังงานมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสถานะหรือไม่? เช่นใช้พลังงานมากขึ้นไหมถ้ามีประตูเปิดมากขึ้น?

โปรเซสเซอร์มือถือ / พลังงานต่ำแตกต่างจากลูกพี่ลูกน้องเดสก์ทอปอย่างไร พวกมันง่ายกว่า (ทรานซิสเตอร์น้อยกว่า) หรือมีความแตกต่างในการออกแบบพื้นฐานอื่น ๆ บ้างไหม?

อัตราการเปิดและปิดประตูเหล่านี้ดูเหมือนจะไม่มีความสัมพันธ์กับพลังที่ใช้

นี่คือที่ที่คุณผิด โดยพื้นฐานแล้วแต่ละประตูเป็นตัวเก็บประจุที่มีความจุเล็กน้อยอย่างไม่น่าเชื่อ การสลับเปิดและปิดโดย "การเชื่อมต่อ" และ "การยกเลิกการเชื่อมต่อ" แรงดันไฟฟ้าจะย้ายประจุไฟฟ้าเล็ก ๆ ที่น่าเหลือเชื่อเข้าหรือออกจากประตู - นั่นคือสิ่งที่ทำให้มันทำหน้าที่แตกต่างกัน

และประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่เป็นกระแสไฟฟ้าซึ่งใช้พลังงาน กระแสน้ำขนาดเล็กทั้งหมดเหล่านี้จากพันล้านประตูถูกเปลี่ยนเป็นพันล้านครั้งต่อวินาทีเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

ในขณะที่ความคิดเห็นของ SK-logic ชี้ให้เห็นถึงพลังส่วนใหญ่ที่ใช้ในการสลับ flip-flop แทนที่จะเป็นสถานะที่มั่นคง

สำหรับการลดแบบไดนามิกมีสองสิ่งหลักที่คุณสามารถทำได้ IIRC

1. หากพื้นที่ทั้งหมดของชิปไม่ถูกโอเวอร์คล็อกคุณสามารถปิดไฟสำหรับพื้นที่เหล่านั้นได้อย่างสมบูรณ์

2. ทรีนาฬิกานั้นเป็นหนึ่งในท่อจ่ายพลังงานที่ใหญ่ที่สุดในระบบส่วนใหญ่เนื่องจากเป็นส่วนเปลี่ยนที่เร็วที่สุดของระบบ ดังนั้นการลดพลังงานในทรีนาฬิกาจึงมีความสำคัญ

กำลังไฟฟ้าที่ใช้โดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์มีสององค์ประกอบ:

• การรั่วไหลซึ่งมากหรือน้อยเป็นอิสระจากความถี่คงที่และจะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีและแรงดันใช้งาน
• พลังงานสวิตชิ่งซึ่งขึ้นอยู่กับความถี่ (มันเกิดจากการโหลดและขนถ่ายความจุต่างๆทรานซิสเตอร์และสายไฟ)

เพื่อลดการใช้พลังงานผู้ออกแบบโปรเซสเซอร์ใช้เทคนิคหลายประการ:

• การปรับเปลี่ยนความถี่ขึ้นอยู่กับโหลด (สิ่งนี้จะทำหน้าที่เฉพาะกับพลังงานสลับ)
• ลดกำลังไฟหรือปิดส่วนต่าง ๆ ของวงจรเมื่อไม่ต้องการใช้

เทคนิคเหล่านี้มีผลที่ขึ้นอยู่กับโหลดของคุณคุณอาจจะดีกว่าจากการใช้พลังงาน POV ลดความถี่หรือทำการ "วิ่ง" ด้วยความเร็วเต็มที่แล้วตัดส่วนย่อยของวงจร

การวิ่งด้วยอัตรานาฬิกาที่ต่ำกว่าจะไม่ส่งผลต่อพลังงานที่ต้องใช้ในการทำงานคงที่ มันอาจเพิ่มพลังงานที่จำเป็นหากคุณคำนึงถึงการรั่วไหลและสามารถปิดได้ทั้งหมด

ในกรณีที่อัตรานาฬิกาที่ต่ำกว่าประหยัดพลังงานก็สามารถลดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้ การลดแรงดันไฟฟ้ามักช่วยประหยัดพลังงานให้เพียงพอเพื่อชดเชยความต้องการที่จะยังคงใช้งานได้นานขึ้น