Disipación de potencia del procesador

La disipación de potencia del procesador o disipación de potencia de la unidad de procesamiento es el proceso mediante el cual los procesadores de las computadoras consumen energía eléctrica y disipan esta energía en forma de calor debido a la resistencia en los circuitos electrónicos .

El diseño de CPU que realicen tareas de manera eficiente sin sobrecalentarse es una consideración fundamental para casi todos los fabricantes de CPU hasta la fecha. Históricamente, las primeras CPU implementadas con tubos de vacío consumían energía del orden de varios kilovatios . Las CPU actuales en computadoras personales de uso general , como computadoras de escritorio y portátiles , consumen energía del orden de decenas a cientos de vatios. Algunas otras implementaciones de CPU utilizan muy poca energía; por ejemplo, las CPU en teléfonos móviles a menudo utilizan solo unos pocos vatios de electricidad, ^{[ 1 ]} mientras que algunos microcontroladores utilizados en sistemas embebidos pueden consumir solo unos pocos milivatios o incluso tan solo unos pocos microvatios.

Existen varias razones de ingeniería que justifican este patrón:

• Para un núcleo de CPU determinado, el consumo de energía aumenta a medida que se incrementa su frecuencia de reloj. Reducir la frecuencia de reloj o disminuir el voltaje generalmente reduce el consumo de energía; también es posible disminuir el voltaje del microprocesador manteniendo la misma frecuencia de reloj. ^{[ 2 ]}
• Las nuevas funciones generalmente requieren más transistores , cada uno de los cuales consume energía. Desactivar las áreas no utilizadas ahorra energía, por ejemplo, mediante la desactivación del reloj .
• A medida que el diseño de un modelo de procesador madura, los transistores más pequeños, las estructuras de menor voltaje y la experiencia en diseño pueden reducir el consumo de energía.

Los fabricantes de procesadores suelen publicar dos cifras de consumo energético para una CPU:

• potencia térmica típica , que se mide bajo carga normal (por ejemplo, la potencia media de la CPU de AMD ).
• potencia térmica máxima , que se mide bajo una carga en el peor de los casos.

Por ejemplo, el Pentium 4 de 2,8  GHz tiene una  potencia térmica típica de 68,4 W y  una potencia térmica máxima de 85 W. Cuando la CPU está inactiva, consume mucha menos potencia térmica que la típica. Las hojas de datos normalmente contienen la potencia de diseño térmico (TDP), que es la cantidad máxima de calor generada por la CPU que el sistema de refrigeración del ordenador debe disipar . Tanto Intel como Advanced Micro Devices (AMD) han definido la TDP como la generación máxima de calor durante periodos térmicamente significativos, al ejecutar cargas de trabajo no sintéticas en el peor de los casos; por lo tanto, la TDP no refleja la potencia máxima real del procesador. Esto garantiza que el ordenador podrá manejar prácticamente todas las aplicaciones sin exceder su límite térmico ni requerir un sistema de refrigeración para la potencia teórica máxima (lo que costaría más, pero a cambio de un margen adicional para la potencia de procesamiento). ^{[ 3 ] [ 4 ]}

En muchas aplicaciones, la CPU y otros componentes permanecen inactivos gran parte del tiempo, por lo que el consumo de energía en reposo contribuye significativamente al consumo total del sistema. Cuando la CPU utiliza funciones de administración de energía para reducir el consumo, otros componentes, como la placa base y el chipset, consumen una mayor proporción de la energía del ordenador. En aplicaciones donde el ordenador suele estar sometido a una carga de trabajo intensa, como la computación científica, el rendimiento por vatio (la cantidad de cálculos que realiza la CPU por unidad de energía) cobra mayor importancia.

Las CPU suelen consumir una parte significativa de la energía de la computadora . Otros componentes importantes son las tarjetas de video de alta velocidad , que contienen unidades de procesamiento gráfico , y las fuentes de alimentación . En las computadoras portátiles, la retroiluminación de la pantalla LCD también consume una parte considerable de la energía total. Si bien se han implementado funciones de ahorro de energía en las computadoras personales para cuando están inactivas, el consumo total de las CPU de alto rendimiento actuales es considerable. Esto contrasta notablemente con el consumo de energía mucho menor de las CPU diseñadas para dispositivos de bajo consumo.

Existen varios factores que contribuyen al consumo de energía de la CPU; entre ellos se incluyen el consumo de energía dinámica, el consumo de energía por cortocircuito y la pérdida de energía debida a las corrientes de fuga de los transistores :

${\displaystyle P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}}$

El consumo de energía dinámica se origina en la actividad de las compuertas lógicas dentro de una CPU. Cuando las compuertas lógicas cambian de estado, fluye energía a medida que los condensadores en su interior se cargan y descargan. La energía dinámica consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a la frecuencia de la CPU y al cuadrado de su voltaje: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle P_{dyn}=CV^{2}f}$

donde C es la capacitancia de carga conmutada, f es la frecuencia y V es el voltaje. ^{[ 6 ]}

Cuando las compuertas lógicas cambian de estado, algunos transistores en su interior pueden cambiar de estado. Como esto lleva una cantidad de tiempo finita, puede suceder que durante un período de tiempo muy breve algunos transistores conduzcan simultáneamente. Un camino directo entre la fuente y tierra entonces resulta en una pérdida de potencia por cortocircuito (${\displaystyle P_{sc}}$La magnitud de esta potencia depende de la puerta lógica y es bastante compleja de modelar a nivel macro.

Consumo de energía debido a fugas de energía (${\displaystyle P_{fuga}}$Las corrientes de fuga se manifiestan a nivel microscópico en los transistores. Constantemente fluyen pequeñas corrientes entre las partes del transistor, que presentan diferentes niveles de dopaje. La magnitud de estas corrientes depende del estado del transistor, sus dimensiones, sus propiedades físicas y, en ocasiones, la temperatura. La cantidad total de corrientes de fuga tiende a aumentar con el incremento de la temperatura y la disminución del tamaño del transistor.

Tanto el consumo de energía dinámico como el de cortocircuito dependen de la frecuencia del reloj, mientras que la corriente de fuga depende de la tensión de alimentación de la CPU. Se ha demostrado que el consumo de energía de un programa presenta un comportamiento energético convexo, lo que significa que existe una frecuencia óptima de la CPU en la que el consumo de energía es mínimo para el trabajo realizado. ^{[ 7 ]}

Históricamente, los fabricantes de procesadores ofrecieron aumentos constantes en las frecuencias de reloj y el paralelismo a nivel de instrucción , de modo que el código de un solo hilo se ejecutaba más rápido en los procesadores más nuevos sin modificaciones. ^{[ 12 ]} Más recientemente, para gestionar la disipación de potencia de la CPU, los fabricantes de procesadores favorecen los diseños de chips multinúcleo , por lo que el software debe escribirse de forma multihilo o multiproceso para aprovechar al máximo dicho hardware. Muchos paradigmas de desarrollo multihilo introducen sobrecarga y no experimentarán un aumento lineal en la velocidad en comparación con el número de procesadores. Esto es particularmente cierto al acceder a recursos compartidos o dependientes, debido a la contención de bloqueos . Este efecto se vuelve más notorio a medida que aumenta el número de procesadores.

Recientemente, IBM ha estado explorando formas de distribuir la potencia informática de manera más eficiente imitando las propiedades de distribución del cerebro humano. ^{[ 13 ]}

Los procesadores pueden dañarse por sobrecalentamiento, pero los fabricantes los protegen con medidas de seguridad operativas como la limitación de rendimiento y el apagado automático. Cuando un núcleo supera la temperatura de limitación establecida, los procesadores pueden reducir la potencia para mantener una temperatura segura y, si no logran mantenerla mediante estas medidas, se apagarán automáticamente para evitar daños permanentes. ^{[ 14 ]}

• Weik, Martin H. (1955). Un estudio de los sistemas informáticos digitales electrónicos nacionales (Informe técnico). Laboratorios de Investigación Balística. hdl : 2027/wu.89037555299 . 971. Archivado del original el 9 de enero de 2006 , a través del Departamento de Comercio de los Estados Unidos, Oficina de Servicios Técnicos.
• http://developer.intel.com/design/itanium2/documentation.htm#datasheets
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• http://www.intel.com/design/intarch/prodbref/27331106.pdf
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• https://web.archive.org/web/20090216190358/http://mbsg.intel.com/mbsg/glossary.aspx
• http://download.intel.com/design/Xeon/datashts/25213506.pdf
• http://www.intel.com/Assets/en_US/PDF/datasheet/313079.pdf , página 12
• http://support.amd.com/us/Processor_TechDocs/43374.pdf , páginas 10 y 80.

• Referencia de CPU para todos los fabricantes. Nodo de proceso, tamaño del chip, velocidad, potencia, conjunto de instrucciones, etc.
• Especificaciones eléctricas del procesador
• SizingLounge : herramienta de cálculo en línea para los costes energéticos de los servidores. 
• Para obtener especificaciones sobre procesadores Intel
• Cómo lograr que la arquitectura x86 funcione a baja temperatura , 15 de abril de 2001, por Paul DeMone