Негативные последствия увеличения частоты

За пять лет выпуска процессоров семейства Pentium 4 их тактовая частота была увеличена более чем в три раза. Стартовав с отметки чуть больше 1 ГГц, за пять лет она достигла 3,8 ГГц.

Казалось бы, если увеличение частоты представляет собой довольно эффективное средство для увеличения производительности процессоров, что мешает и дальше двигаться в этом же направлении?

Дело в том, что увеличение частоты процессора приводит к росту его энергопотребления и, как следствие, к повышению тепловыделения.

Зависимость потребляемой процессором мощности от его частоты можно представить следующей формулой:

где: F – тактовая частота;

U – напряжение питания;

С - динамическая емкость.

Эмпирическим путем установлено, что при увеличении частоты на 20% производительность процессора возрастает примерно на 13%. Дело в том, что, несмотря на теоретическую прямолинейную зависимость между производительностью процессора и его частотой, в реальности она не является строго пропорциональной. При этом потребляемая процессором мощность возрастает на 73%. При уменьшении частоты процессора на 20% производительность уменьшается на 13%, а потребляемая мощность — на 49%. Этот пример наглядно демонстрирует, что увеличение частоты приводит к явному дисбалансу между приростом производительности и потребляемой мощностью.

В погоне за производительностью, которая, как уже отмечалось, в процессорах семейства Pentium 4 обеспечивалась главным образом увеличением частоты, последние версии процессоров на структуре NetBurst достигли уровня энергопотребления в 130 Вт. Казалось бы, ничего страшного — ведь это соответствует одной-двум лампам накаливания, и любая люстра в квартире потребляет больше электроэнергии. Однако проблема заключается в том, что эта мощность выделяется процессором в виде тепла в очень ограниченном объеме, что приводит к его нагреванию. И если для лампы накаливания такой нагрев не критичен, то для процессора все не так просто. Процессоры настольных персональных компьютеров могут сохранять нормальную работоспособность вплоть до температуры 70 °С. Это означает, что при столь высоком энергопотреблении необходимо обеспечить эффективный отвод тепла, для чего используются вентиляторы (кулеры). Проблема, однако, заключается в том, что лишь немногие мощные устройства позволяют охлаждать процессоры с более высоким энергопотреблением, причем эти вентиляторы довольно шумные.

С учетом того, что энергопотребление процессоров семейства Pentium 4 уже достигло своего критического значения, дальнейший рост их производительности стал невозможен в рамках существовавшей структуры NetBurst. Она полностью исчерпала свои потенциальные возможности и создала своего рода тупиковую ситуацию в дальнейшем развитии процессоров.

В 2000 г. фирма Intel обещала достичь в своих процессорах к 2010 г. рубежа в 10 Ггц. Мечты остались мечтами, а то, что должно было случиться, случилось. Сейчас о частоте процессоров как о средстве увеличения производительности уже не говорят.

Поэтому основная задача, которая ставится при конструировании современных процессоров, — достижение не просто максимально возможной производительности любыми средствами, а высокого уровня производительности при обеспечении энергопотребления на приемлемом уровне. В связи с этим уместно рассмотреть еще одну важную характеристику процессора — энергетическую эффективность.

Поиск по сайту: