Tại sao bộ xử lý làm việc khó sử dụng nhiều năng lượng điện hơn?

Quay trở lại thời gian khi tôi bắt đầu viết mã, ít nhất là theo như tôi biết, tất cả các bộ xử lý đều sử dụng một lượng điện năng cố định. Không có thứ gọi là bộ xử lý "nhàn rỗi".

Ngày nay, có tất cả các loại công nghệ để giảm mức sử dụng năng lượng khi bộ xử lý không quá bận rộn, chủ yếu bằng cách giảm động tốc độ xung nhịp.

Câu hỏi của tôi là tại sao chạy ở tốc độ xung nhịp thấp hơn sử dụng ít năng lượng hơn?

Hình ảnh tinh thần của tôi về bộ xử lý là điện áp tham chiếu (giả sử 5V) đại diện cho nhị phân 1 và 0V đại diện cho 0. Do đó tôi có xu hướng nghĩ về một 5V không đổi được áp dụng trên toàn bộ chip, với các cổng logic khác nhau ngắt kết nối điện áp này khi "tắt", có nghĩa là một lượng điện năng không đổi đang được sử dụng. Tốc độ mà các cổng này được bật và tắt dường như không liên quan đến năng lượng được sử dụng.

Tôi không có nghi ngờ đây là một hình ảnh ngây thơ vô vọng, nhưng tôi không phải là kỹ sư điện. Ai đó có thể giải thích những gì thực sự xảy ra với thang đo tần số, và làm thế nào nó tiết kiệm năng lượng. Có cách nào khác mà bộ xử lý sử dụng nhiều hay ít năng lượng tùy thuộc vào trạng thái không? ví dụ: Nó có sử dụng nhiều năng lượng hơn nếu nhiều cổng được mở không?

Làm thế nào là bộ xử lý điện thoại di động / năng lượng thấp khác với anh em họ để bàn của họ? Có phải chúng chỉ đơn giản hơn (ít bóng bán dẫn hơn?), Hoặc có một số khác biệt thiết kế cơ bản khác?

Tốc độ mà các cổng này được bật và tắt dường như không liên quan đến năng lượng được sử dụng.

Đây là nơi bạn sai. Về cơ bản, mỗi cổng là một tụ điện có điện dung cực kỳ nhỏ. Bật và tắt bằng cách "kết nối" và "ngắt kết nối" điện áp sẽ di chuyển một điện tích cực kỳ nhỏ vào hoặc ra khỏi cổng - đó là điều khiến nó hoạt động khác đi.

Và một điện tích di chuyển là một dòng điện, sử dụng năng lượng. Tất cả những dòng điện nhỏ từ hàng tỷ cổng được chuyển đổi hàng tỷ lần mỗi giây cộng lại khá nhiều.

Như nhận xét của SK-logic chỉ ra phần lớn sức mạnh thực sự được dành cho việc chuyển đổi flip-flop thay vì trạng thái ổn định.

Để giảm động, có hai điều chính bạn có thể làm IIRC.

1. nếu toàn bộ các khu vực của chip không được đồng hồ, bạn có khả năng có thể tắt nguồn hoàn toàn cho các khu vực đó

2. Bản thân cây đồng hồ là một trong những cống năng lượng lớn nhất trong hệ thống, phần lớn là phần chuyển mạch nhanh nhất của hệ thống. Vì vậy, giảm sức mạnh trong cây đồng hồ là rất đáng kể.

Năng lượng tiêu thụ bởi một mạch điện tử có hai thành phần:

• sự rò rỉ, ít nhiều độc lập với hằng số tần số và sẽ phụ thuộc vào công nghệ và điện áp làm việc;
• công suất chuyển mạch, phụ thuộc vào tần số (đó là do tải và dỡ tải các công suất, bóng bán dẫn và dây khác nhau)

Để giảm mức tiêu thụ, các nhà thiết kế bộ xử lý sử dụng một số kỹ thuật:

• sửa đổi tần số tùy thuộc vào tải (điều này sẽ chỉ hoạt động trên nguồn chuyển đổi)
• giảm năng lượng hoặc thậm chí tắt nguồn các bộ phận của mạch khi không cần thiết

Các kỹ thuật này có kết quả là tùy thuộc vào tải của bạn, bạn có thể tốt hơn, từ POV tiêu thụ năng lượng, giảm tần số hoặc thực hiện "chạy nước rút" ở tốc độ tối đa và sau đó cắt ra một tập hợp con của các mạch.

Chạy ở tốc độ xung nhịp thấp hơn không ảnh hưởng đến năng lượng cần thiết để thực hiện một tác vụ cố định. Nó thậm chí có thể tăng năng lượng cần thiết nếu bạn tính đến sự rò rỉ và có thể tắt hoàn toàn.

Trường hợp tốc độ xung nhịp thấp hơn sẽ tiết kiệm năng lượng cũng có thể giảm điện áp hoạt động. Giảm điện áp thường tiết kiệm đủ năng lượng để bù cho việc cần duy trì hoạt động lâu hơn.