Что такое TDP процессора и можно ли изменить параметр

О распределении тепла в процессорах и соответствующих тепловых потоках. Часть 3

В этой части приведены более подробные сведения по источникам тепла в процессорах. Также уточняю терминологию и отвечаю на некоторые вопросы участников конференции. С учетом внесённых изменений производится перерасчет модели.

В прошлой части я получил несколько вопросов, уточнений и претензий. Поэтому давайте сначала разберем это (не стал отвечать в прошлой заметке, т.к. она уже старая).

Что означает TDP

Не все пользователи, которые замечали в характеристиках процессора строчку с аббревиатурой TDP, знают конкретно, что это значит. Расшифровка параметра звучит как Thermal Design Power, что в переводе означает «расчётная тепловая мощность».

Величина указывает на максимальное количество тепла, которое выделяется чипом в процессе работы (подразумевают средние показатели нагрузки), это же тепло должно отводиться системой охлаждения. Так, параметр говорит о конструктивных требованиях по теплоотводу и может послужить для определения нужных спецификаций, например, при подборе подходящего кулера.

Величина выражена в ваттах, что привносит путаницу в значениях и становится причиной того, что TDP приравнивают к энергопотреблению. Хотя связь данных понятий и прослеживается, производителем при указании TDP подразумевался немного другой посыл, поскольку значение имеет отношение не к электрическим, а тепловым ваттам. Таким образом, в случае с TDP речь не идёт об электрической мощности, параметр является абстрактным и используется Intel и AMD для обозначения сведений о тепловыделении процессоров, видеокарт. С учётом характеристики рекомендуется подбирать и охлаждение для исправной работы устройства.

Трактовка параметра производителями

При этом разные производители могут по-разному вести расчёты и интерпретировать TDP (значение высчитывают по формулам в процессе работы устройства при определённых нагрузках и условиях), что также следует учитывать. Так, заявленный TDP не может отображать энергопотребление и производительность, а величину не используют для сравнения данных параметров, в частности, если речь об устройствах разных архитектур и производителей.

Для современных процессоров Intel под этим понятием подразумевается тепло в ваттах, которое выделяет CPU при длительном функционировании на базовой частоте. Но есть ещё и режим Turbo Boost, а при достижении более высоких частот повышается и TDP, то есть даже при незначительной разнице между базовой и Turbo, система охлаждения, которая рассчитана на номинальный TDP, может не справиться со своей задачей. Так, выделяемое по факту тепло и потребляемая мощность могут вырасти выше указанного параметра TDP, что говорит о том, что у продуктов Intel это значение будет ниже максимально потребляемой и рассеиваемой мощности.

Совсем другая картина у AMD. Здесь заявленные характеристики TDP CPU и GPU уже ближе к реальным показателям максимально выделяемой и расходуемой мощности при функционировании в штатном режиме.

ВАЖНО. С учётом вышесказанного стоит понимать, что покупка процессора с заявленным производителем значением, например, TDP 95 Вт и системы охлаждения ровно с тем же параметром, не гарантирует, что устройство не будет подвергаться перегревам при конкретных условиях, в которых вы эксплуатируете компьютер.

Что касается NVIDIA, то производитель приравнивает потребляемую и рассеиваемую мощность, определяя параметр TDP как наибольшую мощность, расходуемую системой при функционировании, и максимальный показатель тепла, которое и требуется отвести системе охлаждения.

Настройка TDP

Это гибкая величина, которую можно отрегулировать разными способами. Самые распространенные – управление тактовой частотой ЦП и напряжением. Сделать это может через БИОС или с помощью специальных утилит и сам пользователь. Кроме этого, «доработку напильником» выполняет и сам производитель.

Один и тот же CPU может использоваться в разных устройствах: тонком ультрабуке или мощном настольном ПК. Естественно, требования к тепловыделению у них разные: у лептопа этот показатель должен быть сведен к минимуму, так как его возможности теплоотвода ограничены.

Например, у Intel такое широко практикуется с массовыми ЦП i5 9400F, i7 9700K, i3 9100F или i3 8100. Аналогично дела обстоят у AMD, только модели другие. 65 вт — это много для ноутбука, однако вполне приемлемо для десктопного ПК. Соответственно, значение тепловыделения нужно коррелировать программными и аппаратными средствами.Повысить тепловыделение (что зависит от повышения мощности, в первую очередь), можно благодаря внедрению более «жестких» сценариев разгона тактовой частоты и увеличения подаваемого напряжения. Чем больше CPU проработает в таком режиме, тем сильнее он нагреется.

В щадящем же режиме из-за невысокой нагрузки и тепла выделяется меньше. Кстати, аналогично дело обстоит с планшетами и смартфонами: на тех же моделях «камней» производители могут внедрять разные схемы TDP, поэтому производительность девайсов внутри одной линейки будет отличаться.

Это хорошо хотя бы тем, что производитель может адаптировать один и тот же чип под разные задачи, не «изобретая велосипед» повторно. Разработки по настройке TDP обходятся дешевле, чем создание с нуля процесса для производства CPU. А это сказывается на снижении конечной стоимости девайсов для потребителей.

Как узнать TDP процессора? Определить можно по модели, найдя спецификацию на сайте производителя. Узнать же модель используемого ЦП можно с помощью бесплатной утилиты CPU-Z или аналогичной — например, AIDA64 или Sandra.

Технологический процесс (технология производства)

При производстве микросхем и в частности кристаллов микропроцессоров в промышленных условиях используется фотолитография – метод, которым с помощью литографического оборудования на тонкую кремневую подложку наносятся проводники, изоляторы и полупроводники, которые и формируют ядро процессора. В свою очередь используемое литографическое оборудование имеет определенную разрешающую способность, которая и определяет название применяемого технологического процесса.

Кремниевая пластина с чипами процессоров Intel

Чем же так важен технологический процесс, с помощью которого изготавливаются процессоры? Постоянное совершенствование технологий позволяет пропорционально уменьшать размеры полупроводниковых структур, что способствует уменьшению размера процессорных ядер и их энергопотребления, а так же снижению их стоимости. В свою очередь снижение энергопотребления уменьшает тепловыделение процессора, что позволяет увеличивать их тактовую частоту, а значит и вычислительную мощность. Так же небольшое тепловыделение позволяет применять более производительные решения в мобильных компьютерах (ноутбуки, нетбуки, планшеты).

Кремниевая пластина с чипами процессоров AMD

Первый процессор Intel с архитектурой x86, до сих пор являющейся основной для всех современных ЦП, был произведен в конце 70-ых годов с помощью техпроцесса равному 3 мкм (микрометра). К началу 2000-ых годов практически все ведущие производители микросхем, включая компании AMD и Intel, освоили 0,13 мкм или 130 нм – технологический процесс. Большинство современных процессоров изготавливаются по 32 нм – техпроцессу, а с середины 2012 года и по 22 нанометровой технологии.

Переход на более тонкий техпроцесс всегда является значимым событием для производителей микропроцессоров. Ведь это, как было отмечено ранее, приводит к снижению стоимости производства чипов и улучшению их ключевых характеристик, а значит, делает выпускаемую продукцию разработчика более конкурентоспособной на рынке.

Энергосбережение: процессор.

Ведущие производители процессоров AMD и Intel на протяжении последних десятилетий занимаются снижением энергопотребления своих продуктов. Следует отдать должное, вся эстафета была начата компанией AMD, в которой она удерживала прочное лидерство на протяжении двух-трех лет. Были времена, когда процессоры компании AMD с технологией Cool’n’Quiet имели значительно меньшее энергопотребление, нежели процессоры от компании Intel линеек Pentium 4 и Pentium D.

Компания Intel быстро наверстала свое отставание и внедрила технологию EIST — Enhanced Intel SpeedStep Technology, которая прекрасно себя показала в последних поколениях процессоров. В то время как новые процессоры от компании Intel обзаводятся все новыми и новыми технологиями энергосбережения и наращивают производительность, от компании AMD существенных рывков вперед мы не видим.

Как известно, ключевым энергопотребителем любого персонального компьютера или ноутбука является именно процессор, поэтому мы остановимся на вопросах снижения его энергопотребления.

Для того чтоб понять, как можно снизить энергопотребление процессора, вы должны четко для себя представлять, от чего оно зависит. Энергопотребление современного процессора зависит:
— от напряжения питания подаваемого на транзисторы,
— частоты работы процессора. Частота работы процессора формируется из произведения его множителя на частоту шины.

По сути дела, технологии Cool’n’Quiet и EIST занимаются снижением энергопотребления именно за счет этих двух параметров. К сожалению, чаще всего мы сталкиваемся с работой не с напряжением питания процессора, а с работой его частотой. При снижении нагрузки на процессор энергосберегающие технологии снижают множитель процессора и тем самым добиваются снижения энергопотребления процессора. При появлении нагрузки на процессоре, множитель возвращается на прежние значения, и процессор работает, как ни в чем не бывало. К сожалению, данная методика снижения энергопотребления не всегда позволяет добиться высокой энергоэффективности. Покажем на примере.
В качестве примера выбран процессор Core 2 Duo с номинальной частотой работы 2,0 Ггц.

Из представленной диаграммы видно, что температура работы процессора без включения режима энергосбережения, при номинальном множителе x12 и напряжении питания 1,25 вольт мы имеем рабочую температуру порядка 55-56 градусов в простое.

После подачи нагрузки на процессор, при аналогичных условиях работы мы фиксируем среднею температуру работы процессора порядка 71-72 градусов, что и было зафиксировано на наших диаграммах.
Температура ядер процессора снимается по внутренним датчикам, поэтому погрешности минимальны. Учитывая тот факт, что между энергопотреблением процессора и его рабочей температурой имеется прямопропорциональная связь, мы будем ориентироваться на данный параметр при оценке его энергоэффективности.
Следующим этапом мы снизили множитель процессора до минимально возможных значений, до 6. При этом частота процессора составила 997 Мгц, грубо можно округлить до 1 Ггц. Напряжение питания осталось неизменным, в районе 1,25 вольт.

Из представленных данных видно, что в режиме простоя, рабочая температура процессора изменилась очень мало, она осталась, по-прежнему, в рамках 55-56 градусов. Отсюда напрашивается вывод о том, что от простого снижения частоты работы процессора мы выигрываем очень мало.

После этого мы подали нагрузку на процессор, но множитель и рабочее напряжение процессора оставили на прежнем уровне. Естественно, подобное тестирование имеет значение только с практической стороны, реализовывать его в жизни мы не рекомендуем. Связано это с тем, что именно от частоты процессора зависит его производительность, и никто не покупает высокочастотный процессор для его последующей работы на заниженных частотах. После стабилизации температурных значений, мы получили среднею рабочую температуру равную 65-66 градусам, что на шесть градусов ниже, чем при работе процессора на номинальной частоте равной 2 Ггц.
Из этого всего следует, что действительно энергосбережение от снижения рабочей частоты процессора путем изменения значения множителя имеет место быть, но оно не того уровня, которого нам бы хотелось видеть, в каждом конкретном случае. Поэтому мы приступаем к работе с напряжением процессора.

Наш процессор и материнская плата позволяют изменять напряжение питания процессора в промежутке 0,95-1,25 вольт. Шаг составляет 0,0125 вольт. Это связано с тем, что процессор установлен в ноутбуке, материнские платы которых, редко когда дают возможность менять рабочие напряжения компонентов в широких диапазонах.
Для того чтоб доказать эффективность снижения рабочего напряжения процессора в плане снижения его энергопотребления и тепловыделения, мы оставим его рабочую частоту на уровне 1 Ггц, но параллельно снизим рабочее напряжение до минимально возможных значений, — 0,95 вольт.

Данная манипуляция позволила нам снизить температуру простоя процессора до 45-46 градусов, что представлено на диаграмме. В данном режиме мы добиваемся максимально возможно низкого энергопотребления процессора. Снижение рабочего напряжения до 0,95 вольт позволило нам снизить рабочую температуру простоя на 10 градусов.

Для оценки эффективности метода снижения рабочего напряжения процессора, мы подали на него нагрузку. В результате чего мы получили рабочую температуру в нагрузке равную 50-51 градусам, в то время как без изменения напряжения и аналогичной производительности системы на частоте 1 Ггц ранее мы получали 65-66 градусов. Полученные нами данные зафиксированы на диаграммах.

Корректировка результатов

Для того чтобы получить более точный расчет нужно учесть как можно больше факторов, которые уменьшают или увеличивают потери тепла. Это то, из чего с деланы стены и как хорошо они утеплены, насколько большие окна, и какое на них остекление, сколько стен в комнате выходит на улицу и т.п. Для этого существуют коэффициенты, на которые нужно умножить найденные значения теплопотерь помещения.

Количество радиаторов зависит от величины потерь тепла

На окна приходится от 15% до 35% потерь тепла. Конкретная цифра зависит от размеров окна и от того, насколько хорошо оно утеплено. Потому имеются два соответствующих коэффициента:

• соотношение площади окна к площади пола:
  • 10% — 0,8
  • 20% — 0,9
  • 30% — 1,0
  • 40% — 1,1
  • 50% — 1,2
  • трехкамерный стеклопакет или аргон в двухкамерном стеклопакете — 0,85
  • обычный двухкамерный стеклопакет — 1,0
  • обычные двойные рамы — 1,27.

  Стены и кровля

  Для учета потерь важен материал стен, степень теплоизоляции, количество стен, выходящих на улицу. Вот коэффициенты для этих факторов.

  • кирпичные стены толщиной в два кирпича считаются нормой — 1,0
  • недостаточная (отсутствует) — 1,27
  • хорошая — 0,8

  Наличие наружных стен:

  • внутреннее помещение — без потерь, коэффициент 1,0
  • одна — 1,1
  • две — 1,2
  • три — 1,3

  На величину теплопотерь оказывает влияние отапливаемое или нет помещение находится сверху. Если сверху обитаемое отапливаемое помещение (второй этаж дома, другая квартира и т.п.), коэффициент уменьшающий — 0,7, если отапливаемый чердак — 0,9. Принято считать, что неотапливаемый чердак никак не влияет на температуру в и (коэффициент 1,0).

  

  Нужно учесть особенности помещений и климата чтобы правильно рассчитать количество секций радиатора

  Если расчет проводили по площади, а высота потолков нестандартная (за стандарт принимают высоту 2,7м), то используют пропорциональное увеличение/уменьшение при помощи коэффициента. Считается он легко. Для этого реальную высоту потолков в помещении делите на стандарт 2,7м. Получаете искомый коэффициент.

  Посчитаем для примера: пусть высота потолков 3,0м. Получаем: 3,0м/2,7м=1,1. Значит количество секций радиатора, которое рассчитали по площади для данного помещения нужно умножить на 1,1.

  Все эти нормы и коэффициенты определялись для квартир. Чтобы учесть теплопотери дома через кровлю и подвал/фундамент, нужно увеличить результат на 50%, то есть коэффициент для частного дома 1,5.

  Климатические факторы

  Можно внести корректировки в зависимости от средних температур зимой:

  Внеся все требуемые корректировки, получите более точное количество требуемых на обогрев комнаты радиаторов с учетом параметров помещений. Но это еще не все критерии, которые оказывают влияние на мощность теплового излучения. Есть еще технические тонкости, о которых расскажем ниже.

  Материал

  Есть два основных материала из которых делают кулеры:

  • Алюминий – более дешевый, легкий материал.
  • Медь – стоит дороже, весит больше, но теплопроводность выше чем у алюминия.

  Если говорить про радиаторы обычного типа, то тут встречаются как алюминиевые, так и медные модели. Радиаторы башенного типа обычно делают сразу из нескольких материалов: медное основание и трубки, а сам радиатор сделан из алюминия. В более редких случаях полностью кулер сделан из меди – такой механизм стоит дороже, но параметр охлаждения повышается не на много.