오늘날 PC 플랫폼의 두 가지 주요 에너지 소비자 중 하나 인 CPU의 전력 소비는 많은 관련 사용자를 포함한다고 할 수 있습니다. 예를 들어, 마더 보드의 전원 공급 시스템은 CPU 냉각과 같은 CPU의 전력 소비에 따라 설계되어야합니다. 라디에이터는 CPU의 소비 전력에 따라 설계되어야하며 전원 공급 장치는 CPU에 충분한 전력을 공급해야합니다.하지만 CPU의 소비 전력이 어떻게 생성되는지 알고 계십니까? 이렇게 작은 칩이 왜 그렇게 많은 전력을 사용합니까? 이 기사에서는 CPU 전력 소비의 원리를 간략하게 설명하고 CPU 전력 소비와 관련된 요소를 간략하게 설명합니다. 우선 CPU의 기본 단위 인 트랜지스터부터 시작해야합니다.

 

트랜지스터는 어떻게 작동하고 전력 소비량은?

다양한 디지털 회로 칩의 기본 요소가 매우 작은 트랜지스터라는 것을 누구나 알고 있습니다. 전계 효과 트랜지스터 (FET)는 현재 프로세서에서 일반적입니다. CPU에서 더 일반적인 MOSFET은 아래 그림과 같이 성장할 수 있습니다. 다음과 같이 보입니다

 

이 트랜지스터의 게이트와 소스 사이에 전압을 적용하면 소스와 드레인 사이의 임피던스를 변경하여 소스와 드레인 사이의 전류량을 제어 할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 여러 트랜지스터를 하나의 조합으로 결합하여 두 신호의 레벨이 결합 후 하이 레벨 또는 로우 레벨 신호를 생성 할 수 있습니다. 하이 레벨과 로우 레벨은 로직에 해당 할 수 있습니다. "true"및 "false" "는 바이너리의"1 "및"0 "에 해당 할 수도 있습니다. 이러한 트랜지스터 조합을 논리 게이트라고하며 여러 논리 게이트를 함께 결합하면보다 복잡한 논리 연산을 구현할 수 있습니다. CPU는 많은 논리 게이트로 구성됩니다.

 

그러면 CPU가 동작 할 때이를 구성하는 로직 게이트의 상태는 실제로 지속적으로 변화하고 있으며 이때 로직 게이트 내부의 트랜지스터는 작은 커패시터로 볼 수 있으며 커패시터의 충 방전으로 인해 전기 에너지가 흐르게됩니다. CPU의 동적 전력 소비.

 

이 전력 소비는 왜 동적입니까? 전력 소비의이 부분의 크기는 CPU의 실행 상태와 관련이 있기 때문입니다. 메인 주파수는 CPU의 가장 중요한 사양 중 하나라는 것을 알고 있습니다. 트랜지스터가 1 초에 스위칭되는 횟수를 의미합니다. 트랜지스터가 스위칭되는 횟수가 클수록 주파수가 높아지지만 총 충 방전 횟수는 동시에 증가합니다. , 따라서 트랜지스터의 전력 소비도 증가합니다.

 

실제 계산을 통해 CPU의 동적 전력 소비는 주파수에 비례하고 전압의 제곱에 대략적으로 비례하는 것으로 나타났습니다. 다음 공식을 도출 할 수 있습니다.

 

즉, CPU의 전압이 높고 주파수가 높을수록 동적 전력 소비가 커집니다. 동적 소비 전력의 경우 비교적 자연스러운 정적 소비 전력 개념이 있는데,이 부분은 주로 트랜지스터의 누설에서 비롯됩니다.

 

이 섹션의 시작 부분에있는 MOSFET 구조 다이어그램으로 돌아가 보겠습니다. 게이트 아래에는 절연 역할을하는 얇은 산화막이 있습니다. 트랜지스터를 작게 만드는 과정 (즉, 공정 진행 과정)에서이 절연 층의 두께는 점점 얇아지고 양자 효과로 인해 일부 전하 캐리어가이 얇은 절연 층을 통과하여 누설을 유발합니다. . 이러한 누설 현상은 트랜지스터의 전력 소비를 증가시킬 수 있으며, 트랜지스터 하나의 누설은 매우 적지 만 트랜지스터 수가 수억 또는 수십억 수준에 이르면 전체 누설을 과소 평가할 수 없습니다.

 

누설 외에도 트랜지스터의 전도로 인한 정적 전력 소비의 일부도 있습니다. 로직 게이트의 상태가 변하면이를 구성하는 트랜지스터의 일부가 동시에 켜지 게되는 즉, 단락이 발생할 수 있는데, 이때 단락 전력 소모가 발생하며 그 크기는 로직 게이트의 크기와 관련이 있습니다.

 

요약하자면, CPU의 전력 소비는 작동 중 CPU의 동적 전력 소비와 전원을 켰을 때 CPU의 정적 전력 소비라는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 트랜지스터 누출로 인해 발생합니다. 따라서 CPU의 전력 소비를 CPU의 주요 주파수, 규모 및 제조 프로세스와 연관시킬 수 있습니다.

 

프로세스와 전력 소비의 복잡한 관계

지난 몇 년 동안 인텔의 데스크탑 프로세서 제조 공정이 정체되었습니다. 14nm ++++는 웃음 거리가되었습니다. "인텔 프로세서 전력 소비가 상대적으로 높다"라는 문제가 지속적으로 지적되었습니다.

 

그렇다면 프로세스와 전력 소비의 차이는 무엇입니까? 어떤 관계?

 

더 나은 프로세스를 통해 프로세서 설계자는 동일한 영역에 더 많은 트랜지스터를 넣을 수 있습니다. 대부분의 경우 트랜지스터가 많을수록 프로세서의 성능이 더 강해집니다. , 더 많은 트랜지스터는 더 많은 정적 전력 소비를 생성합니다. 또한 더 진보 된 공정이 트랜지스터의 누설 률을 제어하는 ​​데있어 이전 공정보다 반드시 이점이있는 것은 아닙니다. 인텔은 65nm에서 45nm로 진화하는 동안 누설 률을 제어하기 위해 새로운 절연 재료를 도입 한 적이 있습니다.

 

위의 내용은 정적 전력 소비에 대한 제조 공정의 영향에 대한 것입니다. 동적 전력 소비에 미치는 영향에 대해 이야기하겠습니다. 업데이트 된 프로세스는 트랜지스터를 더 작게 만들고 게이트의 커패시턴스와 임피던스를 줄인 다음 트랜지스터 스위칭 속도를 최적화하여 로직 게이트 스위칭의 지연을 줄여 프로세서가 주 주파수를 새로운 주파수로 증가시킬 수 있습니다. 레벨 업. 그러나 무시할 수없는 한 가지는 트랜지스터의 스위칭 주파수를 높이면 동적 전력 소비가 증가한다는 것입니다. 주 주파수를 높이려면 트랜지스터에 더 높은 전압을 추가하여 로직 게이트 스위칭 지연이 주 주파수를 따라 가도록해야합니다. 전압이 높을수록 전력 소비가 높아집니다.

 

따라서 공정과 전력 소모 사이에는 복잡한 관계가 존재한다. 공정의 개선은 트랜지스터의 전력 소비를 줄일 수 있지만, 성능 향상을위한 칩 스케일의 확장은 공정 개선에 따른 에너지 절약 효과를 어느 정도 상쇄 할 수있다. 또한 더 높은 주파수를 추적하면 더 많은 동적 전력 소비가 생성됩니다. 그러나 CPU 설계 팀은 일반적으로 이러한 복잡한 관계를 고려하고 단점을 피하기 위해 프로세스 진행의 이점을 최대한 활용합니다.

 

그러나 실제 사용에서 CPU가 100 %를 차지하더라도 전력 소비는 여전히 매우 다릅니다. 왜 이런거야? 간단히 말해서, 다른 소프트웨어 또는 명령은 CPU의 다른 영역을 호출하고 호출되는 트랜지스터의 수는 다릅니다.

 

다른 소프트웨어 / 명령에 따른 트랜지스터 전송

소프트웨어에서 발행 한 명령은 CPU 코어에 의해 디코딩 및 예약되고 마지막으로 실행될 실행 단위에 들어갑니다. 실행 단위에는 여러 유형이 있으며, 일부는 더하기 전용 일 수 있으며, 일부는 곱하기 전용 일 수 있습니다. 다른 실행 단위는 활성화 될 때 다른 전력을 소비합니다. 즉, 동일한 코어가 다른 실행 단위를 호출 할 때 매우 다른 전력을 소비합니다. 예를 들어, 오늘날의 프로세서는 일반적으로 AVX 명령어 세트 를 지원합니다. AVX2를 지원하는 프로세서에서 AVX 명령어가 조작 할 수있는 최대 데이터 폭은 원래 SSE 명령어 (128 비트 => 256 비트)의 두 배입니다. 더 넓은 레지스터와 실행 단위가 구현됩니다.

AVX 명령 세트 지원을 끄십시오. 이때 CPU 전력 소비는 약 133W입니다.

 

AVX 명령어 세트 지원을 엽니 다. 이때 CPU 전력 소비는 약 166W입니다.

여기서는 AIDA64 안정성 테스트를 사용하여 간략하게 설명했는데, FPU 로스터도 함께 사용하면 AVX 명령이 꺼 졌을 때의 CPU 소비 전력이 켜졌을 때보 다 약 30W 낮다는 것을 알 수 있습니다.

좀 더 직관적 인 설명을 원한다면 Skylake 커널 서버 버전의 Die Shot을 살펴 보겠습니다 .

Skylake 커널의 서버 버전에는 왼쪽 상단에 AVX-512를 지원하는 데 사용되는 Server AVX-512 영역이 있습니다. 방금 말한 것과 결합하면 더 많은 트랜지스터가 더 많은 전력을 소비하므로 AVX2 및 AVX-512의 더 넓은 명령어 세트를 호출 할 때 CPU의 전력 소비도 크게 증가합니다.

 

또한 전력 소비에 영향을 미치는 것은 x86 프로세서에서 흔히 볼 수있는 동시 하이퍼 스레딩 기술 (SMT)입니다. 트랜지스터 수를 늘려야하지만 상당한 성능 이점을 얻을 수 있습니다. 하이퍼 스레딩 기술은 실행 장치의 활용도를 높이기 때문입니다. 따라서 하이퍼-스레딩 기술이 켜진 후에는 동일한 전체 부하에서도 CPU의 전력 소비가 크게 증가합니다.

 

전원 관리 전략의 영향

프로세서의 소비 전력이 너무 크면 다량의 열이 발생하고 방열 조건이 유지되지 않으면 고온으로 인해 트랜지스터의 안정성에 영향을 미칩니다. 또한 모바일 플랫폼에서는 배터리 용량의 제약으로 인해 프로세서의 전력 소비가 너무 크지 않아야합니다. 그렇다면 프로세서가 자체 전력 소비를 어떻게 제어해야합니까?

 

최신 프로세서에는 다양한 전원 관리 기술이 있으며보다 일반적인 방법 중 하나는 전원 관리를 운영 체제에 위임하는 것입니다. 예를 들어, 프로세서 제조업체는 프로세서에 대해 여러 전원 상태를 정의합니다. C-State 및 P-State는 프로세서의 전원 상태를 설명하는 데 사용되는 두 가지 일반적인 상태 값입니다. C-State는 에너지를 절약하는 데 사용되며 P-State는 부하가 걸린 CPU의 전압-주파수 상태를 결정하는 데 사용됩니다. 운영 체제는 현재로드 상황에 따라 CPU 상태를 조정하므로 고부하 작업이 감지되면 시스템이 프로세서를 최대 속도 실행 상태로 조정합니다. 부하가 적은 경우 시스템은 프로세서를 저속 상태로 전환하거나 부분적으로 닫습니다.

 

또한 프로세서 제조업체는 인텔과 AMD가 오래 전에 CPU에 도입 한 SpeedStep / Cool'n'Quiet와 같이 소프트웨어와 하드웨어를 결합한 에너지 절약 기술을 많이 추가했습니다. 이러한 기술을 통해 CPU는 최대 성능을 잃지 않고 최선을 다할 수 있습니다. 가능한 에너지 절약. 이제 Speed ​​Shift 및 Turbo Cove와 같은 기술이 인수되었습니다.

 

요약하자면

CPU의 소비 전력은 주로 동적 전력 소비와 정적 전력 소비로 구성되며 전자는 주로 트랜지스터의 지속적인 스위칭에 의해 생성되고 후자는 주로 트랜지스터 누설에 의해 생성됩니다. 지속적으로 확장되는 CPU 규모는 프로세스 진행으로 인한 일부 최적화를 상쇄합니다. 다른 상황에서 CPU의 전력 소비 성능은 주로 다른 명령에 의해 호출되는 트랜지스터의 수가 다르기 때문에 매우 다릅니다.

 

CPU의 전력 소비를 관리하기 위해 CPU 제조업체는 계속해서 새로운 전력 관리 기능을 도입하고 있습니다. 오늘날의 x86 CPU는 더 이상 에너지 절약 성능 측면에서 동일하지 않습니다. 그러나 프로세스 진행이 점점 더 어려워지고 더 높은 성능을 제공하기 위해 CPU 규모를 확장해야하는 상황에서 향후 CPU는 전력 효율이 더 높지는 않지만 에너지 효율 비율이 더 높아질 것입니다. .