Por que os processadores que trabalham mais usam mais energia elétrica?

De volta à névoa do tempo em que comecei a codificar, pelo menos até onde sei, todos os processadores usavam uma quantidade fixa de energia. Não havia um processador "ocioso".

Atualmente, existem todos os tipos de tecnologias para reduzir o uso de energia quando o processador não está muito ocupado, principalmente reduzindo dinamicamente a taxa de clock.

Minha pergunta é por que rodar com uma freqüência menor usa menos energia?

Minha imagem mental de um processador é de uma tensão de referência (digamos 5V) representando 1 binário e 0V representando 0. Portanto, eu tendem a pensar em um 5V constante sendo aplicado em todo o chip, com os vários portões lógicos desconectando essa tensão quando "off", significando que uma quantidade constante de energia está sendo usada. A taxa na qual esses portões são ligados e desligados parece não ter relação com a energia utilizada.

Não tenho dúvida de que essa é uma imagem irremediavelmente ingênua, mas não sou engenheiro elétrico. Alguém pode explicar o que realmente está acontecendo com a escala de frequência e como isso economiza energia. Existem outras maneiras pelas quais um processador usa mais ou menos energia, dependendo do estado? Por exemplo, usa mais energia se mais portões estiverem abertos?

Qual a diferença entre os processadores móveis / de baixa potência e os primos de desktop? Eles são apenas mais simples (menos transistores?), Ou há alguma outra diferença fundamental de design?

A taxa na qual esses portões são ligados e desligados parece não ter relação com a energia utilizada.

É aqui que você está errado. Basicamente, cada porta é um capacitor com uma capacitância incrivelmente pequena. Ligá-lo e desligá-lo "conectando" e "desconectando" a tensão move uma carga elétrica incrivelmente pequena para dentro ou para fora do portão - é isso que a faz agir de maneira diferente.

E uma carga elétrica em movimento é uma corrente que consome energia. Todas aquelas correntes minúsculas de bilhões de portões trocadas bilhões de vezes por segundo se somam bastante.

Como o comentário da SK-logic aponta, a maior parte da energia é realmente gasta na troca de flip-flop, em vez de um estado estável.

Para reduzir dinamicamente, há duas coisas principais que você pode fazer com o IIRC.

1. se áreas inteiras de um chip não estiverem sendo sincronizadas, é possível desligar a energia dessas áreas completamente

2. A árvore do relógio em si é um dos maiores drenos de energia do sistema, principalmente por ser a parte de troca mais rápida de um sistema. Portanto, reduzir a energia na árvore do relógio é significativo.

A energia consumida por um circuito eletrônico possui dois componentes:

• o vazamento, que é mais ou menos independente da constante de frequência e dependerá da tecnologia e da tensão de trabalho;
• a potência de comutação, que depende da frequência (é devido ao carregamento e descarregamento de várias capacitâncias, transistores e fios)

Para reduzir o consumo, os designers de processadores usam várias técnicas:

• modificar a frequência dependendo da carga (isso só funcionará na potência de comutação)
• reduzindo a energia ou mesmo desligando partes dos circuitos quando eles não são necessários

Essas técnicas resultam em que, dependendo da sua carga, você pode se beneficiar melhor do ponto de vista do consumo de energia, reduzindo a frequência ou fazendo um "sprint" a toda velocidade e, em seguida, cortando um subconjunto dos circuitos.

A execução a uma freqüência mais baixa não afeta a energia necessária para executar uma tarefa fixa. Pode até aumentar a energia necessária se você considerar vazamentos e conseguir desligar completamente.

Onde uma taxa de clock mais baixa economiza energia, também é possível reduzir a tensão operacional. A redução da tensão geralmente economiza energia suficiente para compensar a necessidade de permanecer ativo por mais tempo.