Те, кто знаком с принципом Ландауэра, в курсе, что при проведении необратимых вычислений обязательно выделяется тепло, не меньшее чем k*T*ln2, а разбирающиеся в электронике подтвердят, что на самом деле эта величина на порядки больше в связи с наличием сквозного тока при переключении КМОП пары, паразитных токов утечки и сопротивления металлических межсоединений. Что же касается рядовых пользователей, то они просто привыкли к тому, что процессоры при работе греются и выделяют тепло.
Итак, знакомьтесь — TDP. Как видно из заголовка, TDP расшифровывается как «Thermal Design Power». Эта величина показывает максимальное количество тепла, которое должна рассеивать система охлаждения чипа.
Производители принимают ее равной максимальной мощности, которую потребляет чип. Потребляемую мощность проще измерить, и в конце концов вся она (за исключением пренебрежимо-малого электромагнитного излучения) будет рассеяна в виде тепла.
История Desktop-процессоров в разрезе TDP
В таблице ниже представлены величины TDP для знаковых (на мой взгляд) моделей процессоров Intel для настольных ПК.
| Модель | Частота | TDP |
| Pentium | 75 MHz | 8.0 W |
| Pentium MMX | 200 MHz | 15.7 W |
| Pentium II 300 (0.35µ) | 300 MHz | 18.6 W |
| Pentium III 600 (0.25µ) | 600 MHz | 43 W |
| Pentium III 1000 (0.18µ) | 1GHz | 35.5W |
| Pentium III 1333 (0.13µ) | 1.33GHz | 34W |
| Pentium 4 1.5 (0.18µ) | 1.5GHz | 58W |
| Pentium 4 2.8 (0.13µ) | 2.8GHz | 68W |
| Pentium 4 HT 672 (90nm) | 3.8GHz | 115W |
| Pentium D 960 (65nm) | 3.6GHz @ 2 cores | 130 W |
| Core 2 Duo E6850 (65nm) | 3GHz @ 2 cores | 65W |
| Core 2 Quad Q6600 (65nm) | 2.4GHz @ 4 cores | 95W |
| Core 2 Quad Q9550S (45nm) | 2.83GHz @ 4 cores | 65W |
| Core i5-680 (32nm) | 3.6GHz @ 2 cores | 73W |
| Core i7-3930K (32nm) | 3.6 GHz @ 6 cores | 130 W |
| Core i7-3770K (22nm) | 3.5GHz-3.9GHz @ 4 Cores | 77W |
По логике вещей, при уменьшении топологических норм тепловыделение должно снижаться. Однако число транзисторов на кристалле росло значительно быстрее, чем снижалось тепловыделение отдельной КМОП пары. Это и стало причиной закономерности, которая хорошо прослеживается в таблице. Печально известная гонка гигагерц привела к тому, что Pentium 4 поставил своеобразный антирекорд, в своей 3.8 Ггц модификации перевалив за TDP в 100 Вт. Очевидно, с такой ситуацией мириться было невозможно: компьютер все более походил на бомбу замедленного действия. И выводы были сделаны — тепловыделение пошло на убыль.
И пусть вас не смущает большое TDP топовых процессоров типа Core i7-3930K. Это совсем особенные представители процессорного семейства и те, кто готовы заплатить за них кругленькую сумму, наверняка побеспокоятся и о соответствующем охлаждении. В целом же TDP процессоров Intel за последнее время существенно уменьшилось и продолжает сокращаться.
Небольшой экскурс в историю систем охлаждения
Уже в эпоху первого процессора Pentium, компьютеры стали использовать активное охлаждение, которое представляло собой смешных размеров радиатор и такой же «пропеллер».
на фото Intel Pentium 200 MMX со снятым вентилятором
Можно было обойтись и пассивным охлаждением, используя чуть более развитой радиатор, но в те времена не слишком заботились о бесшумности. Конечно, одним кулером процессора дело не ограничивалось, винчестеры и блоки питания давали существенный вклад в общий шум системы.
Системы охлаждения плавно развивались параллельно с ростом тепловыделения процессоров и наконец…
В эпоху процессоров Pentium 4 получили свое развитие монструозные кулеры и альтернативные способы охлаждения: жидкостные, криогенные, нитрогенные. Для интересующихся историей, приведу ссылку на статью «Кулеры миллениума» за авторством товарища LIKE OFF от 2001 года.
В наше время низкий шум для ПК имеет большое значение, многие энтузиасты стараются собрать компьютер максимально бесшумным, в идеале с полностью пассивным охлаждением.
Это вполне посильная задача. В таких случаях чаще всего используют процессор с TDP не более 40W. Можно выбрать модель с большим TDP и понизить ее частоту и напряжение на ядре. (Мощность пропорциональна частоте и квадрату напряжения питания).
В результате может получиться что-то подобное:
При TDP больше 50W обойтись без активного охлаждения уже сложно. Даже если процессорное охлаждение пассивно, нужна хорошая циркуляция воздуха внутри корпуса.
Поведение процессора при перегреве
У тех, чье знакомство с компьютерами началось достаточно давно, наверняка осталось в памяти легендарное видео от команды Tom's Hardware. (Приводить ссылку на него я не могу по идеологическим соображениям). Эти ребята выяснили, что случится с процессором, если он во время работы лишится системы охлаждения. Ситуация на самом деле вполне возможная: кулер может отвалится при транспортировке, или в системе охлаждения может сломаться вентилятор. Ну и наконец, наиболее часто встречающаяся проблема, когда термоинтерфейс между процессором и системой охлаждения со временем теряет свои теплопроводящие свойства.
Что произойдет, когда температура процессора превысит предельную? Очевидно, ничего хорошего, но некоторая самозащита у процессора все-таки есть. Начиная с Pentium 4, при достижении температуры порядка 90°C включится так называемый throttling: процессор начнет пропускать такты, замедляя свою работу и снижая тепловыделение. Конечно, оставшись без охлаждения, процессор не сможет обеспечить даже мало-мальски приемлемой производительности.
Мобильные вычисления.
Для ноутбуков главный аспект TDP — это потребляемая мощность, ведь она оказывает непосредственный влияние на время автономной работы. TDP процессоров Atom, чаще всего применяемых в нетбуках, находится в диапазоне 2-10W, а большинства процессоров для ноутбуков — 15-40W.
По моим оценкам, основанным на сетевых изысканиях, 15" ноутбук с дискретной графикой и процессором с TDP 35W в целом потребляет около 80W. Можно оценить вклад процессора в общее энергопотребление ноутбука как 30-40%. Конечно, это верно только при максимальной нагрузке на процессор. Большую часть времени процессор отдыхает, в дело вступают технологии энергосбережения, и его доля в общем энергопотреблении уменьшается.
Отметим, что несмотря на малое TDP мобильных процессоров, эффективное охлаждение внутри тесного корпуса реализовать подчас проблематично, поэтому перегрев у ноутбуков встречается даже чаще, чем у десктопов.
Заключение
В общих чертах я рассказал о TDP. Эту тему можно развить в двух направлениях: рассмотреть причины потребления мощности КМОП схем, к которым относятся процессоры, и рассказать о технологиях энергосбережения, применяющихся в современных процессорах Intel. Предлагаю проголосовать за один из моих комментариев к этой статье: «Технологии энергосбережения» и «Энергопотребление в КМОП схемах».
Те, кто наберут больше голосов, определят следующую тему. Также в комментариях всячески приветствуются реальные истории о борьбе с температурой внутри компьютера, победах и поражениях в ней.
Автор: nE0
