توان مصرفي واقعي پردازنده چيست و چه تفاوتي با توان طراحي حرارتي يا TDP دارد

توان مصرفي كه همواره يكي از دغدغه‌هاي اصلي سازندگان تراشه بوده، به‌تازگي در بازار كامپيوترهاي شخصي مدانديشه متخصصين متخصصان نيز قرار گرفته است. به‌عنوان مثال، متخصصان توان مصرفي پردازنده‌هاي هشت‌هسته‌اي اينتل را بين ۱۵۰ تا ۱۸۰ وات گزارش مي‌كنند؛ درحالي‌كه اينتل شاخص TDP اين پردازنده‌ها را ۹۵ وات اعلام كرده است. در اين مقاله، قصد داريم دليل اين تفاوت در ميزان توان مصرفي گزارش‌شده را توضيح دهيم.

شاخص توان طراحي حرارتي (Thermal Design Power)

فركانس پايه‌ي هر پردازنده به توان مصرفي و قدرت خنك‌كننده‌ي آن بستگي دارد؛ يعني سازندگان تراشه‌ها، با درانديشه متخصصينگرفتن قدرت سيستم خنك‌كننده‌ي طراحي‌شده براي آن تراشه، به‌ازاي توان مصرفي معلوم عملكرد پردازنده در حداقل فركانس پايه را براي پردازنده‌هاي خود تضمين مي‌كنند. 

شاخص توان طراحي حرارتي (TDP) به همين قدرت خنك‌كاري سيستم خنك‌كننده بستگي دارد. با استناد به اين وابستگي، اكثر متخصصان معمولا به‌اشتباه ميزان TDP پردازنده را با حداكثر توان مصرفي آن برابر مي‌دانند؛ زيرا ميزان گرمايي كه بايد از پردازنده خارج شود، برابر با مقدار تواني است كه پردازنده براي انجام پردازش مصرف كرده است. اين درحالي‌ است كه در اين تعريف، مشخصه‌ي TDP درواقع حداقل گرمايي است كه سيستم خنك‌كننده بايد خارج كند تا پردازنده بتواند همواره به عملكرد خود در فركانس پايه ادامه دهد. البته مقداري از گرما ازطريق اتصالات فلزي پردازنده به مادربرد از آن خارج مي‎‌شود؛ ازاين‌رو، قدرت خنك‌كننده‌ي استفاده‌شده عملا كمتر از ميزان TDP پردازنده خواهد بود. بااين‌حال در بيشتر مواقع، توان مصرفي در حالت پردازش در فركانس پايه و TDP با يكديگر برابر درانديشه متخصصين گرفته مي‌شوند.

در سال‌هاي گذشته، توليدكنندگان براي تمامي پردازنده‌هاي خود عملكرد در يك فركانس پايه را به‌ازاي مصرف تواني مشخص تضمين مي‌كنند كه همان TDP است. به‌عنوان مثال، درباره‌ي پردازنده Intel Core i7-8700 65W، اينتل فقط زماني‌كه پردازنده در فركانس پايه ۳.۲ گيگاهرتز كار ‌كند، توان مصرفي ۶۵ وات يا كمتر را تضمين مي‌كند و هيچ تضميني درباره‌ي عملكرد اين پردازنده در فركانس‌هاي بالاتر از ۳.۲ گيگاهرتزو توان مصرفي بيشتر از ۶۵ وات ندارد.

اينتل در پردازنده‌هاي خود علاوه‌بر فركانس پايه، فركانس پردازش در حالت  Turbo Boost را نيز معرفي مي‌كند. براي نمونه، هر هسته‌ي پردازنده Core i7-8700 علاوه‌بر پردازش در فركانس پايه‌ي ۳.۲ گيگاهرتز، در حالت توربوي تك‌هسته‌اي قدرت پردازش در فركانس ۴.۷گيگاهرتزي و در حالتي كه تمامي هسته‌ها درحالت توربو فعال باشند، قدرت پردازش در فركانس ۴.۳ گيگاهرتز نيز دارند. درباره‌ي دليل اينكه چرا فركانس در حالت فعاليت تمام هسته‌ها پايين‌تر از حالت فعاليت فقط يك هسته است، كمي پايين‌تر توضيح خواهيم داد. اين پردازنده مشخصا براي پردازش در فركانس توربو، درمقايسه‌با فركانس پايه، احتياج به مصرف انرژي بسيار بيشتري از TDP محاسبه‌شده براي آن دارد؛ بنابراين، گرماي بسيار بيشتري نيز توليد مي‌كند. ازاين‌رو، سيستم خنك‌كننده و منبع تغذيه (پاور) ۶۵واتي به‌كاررفته در اين پردازنده براي خنك‌كاري و تأمين انرژي پردازنده ديگر در حالت توربو مناسب نخواهند بود و براي امكان پردازش مداوم در حالت توربو به خنك‌كننده‌ و نيز پاور قوي‌تر نياز است.

شاخص‌هاي مؤثر در تعيين ميزان توان مصرفي پردازنده

سازندگان تراشه براي هر پردازنده بسته به توانايي‌هاي و محيط كاري استاندارد آن، سطوح مختلف را براي توان مصرفي با قابليت تنظيم در سفت‌افزار (FirmWare) سيستم درانديشه متخصصين مي‌گيرند. قابليت تنظيم سطح توان مصرفي، به سازندگان كامپيوترها اين امكان را مي‌دهد كه در توليدات خود توان مصرفي پردازنده را بنا به شرايط تغيير دهند. بنابراين، تعيين ميزان دقيق توان مصرفي پردازنده‌ها در سيستم‌هاي مختلف بسيار اشكال خواهد بود.

براي توضيح ساده‌تر اين مفهوم، سه مشخصه‌ي PL1 (سطح توان 1) و PL2 (سطح توان 2) و Tau (ضريب زماني) را درباره‌ي توان مصرفي پردازنده‌ها درانديشه متخصصين بگيريد. PL1 ميزان توان مصرفي پردازنده در حالت پايدار و براي زمان‌هاي طولاني است. بنابراين، مي‌توان گفت PL1 معمولا برابر با TDP پردازنده است. پس، اگر TDP پردازنده ۸۰ وات است، PL1 آن نيز ۸۰ وات خواهد بود.

PL2 حداكثر (دقت كنيد، حداكثر) توان مصرفي پردازنده و براي مدت‌زمان كوتاه است و طبيعتا بالاتر از PL1 است. پردازنده‌ها براساس طراحي‌شان و تعداد هسته‌هاي به‌كار گرفته‌شده در آن‌ها لاخبار تخصصيا ممكن است نتوانند با مصرف توان PL1 براي مدت طولاني در حالت توربو قرار بگيرند. پس وقتي وظيفه‌ي سنگيني به پردازنده محول مي‌شود، توان مصرفي آن مي‌تواند تا PL2 بيشتر شود و بتواند در حالت توربو قرار گيرد. بنابراين باتوجه‌به تعاريف مذكور، مي‌توان گفت توان مصرفي كل تراشه در حالت توربو نه لاخبار تخصصيا، ولي ممكن است حداكثر تا مقدار PL2 بيشتر شود.

Tau متغير زمان است و حداكثر مدت زماني را تعيين مي‌كند كه پردازنده مي‌تواند در حالت توان PL2 قرار گيرد؛ قبل از آنكه مجبور باشد به حالت PL1 بازگردد. دقت كنيد مقدار Tau به ميزان توان مصرفي يا دماي پردازنده وابسته نيست؛ چون بنابر تعريف، وقتي دماي پردازنده به حداكثر ميزان مجاز خود رسيد، براي كاهش دما ولتاژ ورودي خود و درنتيجه، فركانس پردازشي را به‌شدت كاهش مي‌دهد و در آن حالت، به‌دليل پردازش در فركانس‌هايي بسيار پايين‌تر از فركانس پايه يا توربو مقادير PL1 و PL2 ديگر معنايي ندارند.

اجازه دهيد براي شناخت بهتر اين مفاهيم، پردازنده‌اي را درانديشه متخصصين بگيريم كه درحال‌انجام حجم زيادي پردازش است و قدم‌به‌قدم تمامي حالاتي را مطالعه كنيم كه اين پردازنده در آن‌ها قرار مي‌گيرد.

اگر پردازنده درحال‌پردازش فقط يك زيربرنامه (حالت تك‌ريسماني يا single-thread) باشد، احتياج به يك هسته دارد كه در حالت توربوي خود كار مي‌كند؛ اما به‌دليل اينكه فقط يكي از هسته‌ها فعال است، توان مصرفي كل پردازنده به PL2 نخواهد رسيد. حال وقتي ساير هسته‌هاي پردازنده براي پردازش چند زيربرنامه موازي (حالت چندريسماني يا multi-thread) در حالت توربو فعال مي‌شوند، توان مصرفي آن ممكن است به PL2 نزديك ‌شود و فركانس پردازش به‌گونه‌اي تنظيم مي‌شود كه توان مصرفي كل تراشه از اين مقدار بيشتر نشود. درواقع، به‌همين‌دليل فركانس پردازنده در حالتي كه تمامي هسته‌ها فعال هستند، پايين‌تر از زماني است كه فقط يك هسته فعاليت مي‌كند. وقتي اين حجم كاري زياد براي مدتي برابر با Tau ادامه پيدا كند، بنابر تعريف، سفت‌افزار بايد سريعا ميزان توان مصرفي را به PL1 كاهش دهد. اگر به‌دليل سنگيني حجم كار ميزان توان مصرفي نتواند در محدوده‌ي PL1 باقي بماند، ولتاژ ورودي و فركانس پردازشي به‌گونه‌اي تنظيم خواهند شد كه توان مصرفي كل تراشه به‌اندازه‌ي PL1 باقي بماند. درنتيجه، دماي تراشه را كاهش و طول عمرش را افزايش مي‌دهد.

توان مصرفي پردازنده در همين سطح PL1 باقي خواهد ماند تا زماني‌كه پردازنده وظيفه‌ي خود را به‌پايان برساند و يكي از هسته‌ها براي مدتي معلوم (معمولا زير پنج ثانيه) در حالت غيرفعال يا idle قرار گيرد. پس از گذشت اين زمان، سيستم مي‌تواند درصورت اعمال حجم كاري جديد بارديگر سطح توان PL2 را به‌كار گيرد.

به‌عنوان مثال، در پردازنده Core i7-8700K اينتل، مقدار PL1 برابر با ۹۵ وات و PL2 برابر با ۱۱۸.۷۵ وات و Tau هشت ثانيه تعيين شده‌اند. بنابراين در اين حالت، پردازنده بايد بتواند تا هشت ثانيه در سطح انرژي حدود ۱۱۹ وات فعال باشد و بعد از آن به سطح ۹۵ وات بازمي‌گردد. جالب اينجاست كه اينتل اين مقادير را براي چندين نسل از پردازنده‌هاي خود ثابت نگه داشته؛ چراكه توان مصرفي اين پردازنده‌ها حتي در حالتي كه با تمام قوا درحال‌فعاليت هستند، حتي پايين‌تر از سطح PL1 يا همان ۹۵ وات است. بااين‌حال، ازآنجاكه اين مقادير را سفت‌افزار تنظيم مي‌كنند، توليدكنندگان مادربرد مي‌توانند با استفاده از خنك‌كننده‌هاي قوي‌تر به‌عنوان مثال PL2 را بدون محدوديت سفت‌افزاري (درعمل برابر با حداكثر توان قابل‌مصرف تراشه براي ماندن در محدوده‌ي دمايي مجاز) و PL1 را به ۱۶۵ وات يا همان ۹۵ وات تغيير دهند. اگر دليل اين مسئله برايتان مشخص نيست، كمي پايين‌تر آن را توضيح خواهيم داد.

درواقع در محصولاتي با محدوديت دمايي مانند لپ‌تاپ‌ها و كامپيوترهاي شخصي كوچك، مقادير PL1 و PL2 و Tau بايد كاملا محافظه‌كارانه انتخاب شوند. حتي در تعدادي از محصولات رده‌بالا نيز مقدار PL2 را برابر با TLP قرار مي‌دهند تا مطمئن شوند اگر پردازنده در حالت توربو قرار گرفت، ميزان توان مصرفي آن بيشتر از TLP نشود.

پس از ظهور پردازند‌ه‌هاي شش‌هسته‌اي، در مطالعه پردازنده‌ها تا وقتي دماي پردازنده در محدوده‌ي مجاز قرار دارد، معمولا مقادير PL1 و PL2 نامحدود درانديشه متخصصين گرفته مي‌شوند. دليلي اصلي اين مسئله چيست؟

از انديشه متخصصينات شما چرا توليدكنندگان از اين روش بهره مي‌برند؟ دلايل متعددي براي اين كار ذكر كرده‌اند: ۱. متخصص مي‌تواند هميشه از حالت توربوي پردازنده بهره ببرد كه در گرفتن امتيازات فراوان در بنچمارك‌هاي مختلف و دريافت انديشه متخصصينات‌هاي مثبت منتقدان يا در حالت ساده‌تر مقايسه‌ي توانايي‌هايي پردازنده‌هاي مختلف ازلحاظ آماري مؤثر خواهد بود؛ ۲. به توليدكنندگان مادربرد اين اجازه را مي‌دهد كه در محصولاتشان يا از سطوح انرژي پيش‌فرض تعيين‌شده براي اين پردازنده استفاده كنند يا اينكه سطوح انرژي مختص به خود را براي مهندسي بهتر محصول نهايي تعريف كنند. درواقع، وقتي مادربرد با طراحي رده بالا، قابليت استفاده‌ي دائمي از تمام هسته‌هاي پردازنده در حالت توربو را دارد، با اين روش توليدكننده امكان اجراي آن را خواهد داشت؛ ۳. اگر متخصص از سيستم‌هاي خنك‌كننده‌ي پيشرفته‌تر استفاده كند، مي‌تواند پردازنده را در حالت توربوي تمام‌هسته‌اي و به‌تبع آن، سطوحي بالاتر از ۱۶۰ وات به‌كار گيرد و اين تجربه‌ي متخصصي بهتري براي متخصص رقم مي‌زند.

پس به كدام روش بايد اعتماد كرد؟ تفاوت اين روش‌ها در چيست؟

سازندگان تراشه‌ي استاندارد مشخصي براي پردازنده‌هاي خود تعيين مي‌كنند. مقادير PL1،PL2 ،Tau، مدار مادربرد و تنظيمات سفت‌افزار همگي از مقادير پيشنهادي سازنده استفاده مي‌كنند. تعدادي از اين مقادير براي متخصص معلوم و مابقي آن‌ها نامعلوم هستند؛ ولي درهرصورت اين مقادير صرفا پيشنهاد هستند و نهايتا مي‌توانند آن را توليدكنندگان مادربرد دست‌خوش تغيير كنند. به‌همين‌دليل، بسياري از متخصصان تمايل دارند قدرت پردازنده در حالات «تنظيمات پيشنهادي سازنده‌ي پردازنده» و «تنظيمات پيش‌فرض محصول نهايي» و «حالتي كه پردازنده در سطوح حداكثري خود فعال است» را بدانند و اين، كار آزمايش‌كنندگان اين پردازنده‌ها را دشوار خواهد كرد. همان‌طور كه معلوم است، پردازنده در حالت تنظيمات پيش‌فرض سازنده‌ي پردازنده‌، قدرت به‌مراتب كمتري درمقايسه‌با حالت تنطيمات پيش‌فرض محصول نهايي خواهد داشت. حالتي كه پردازنده در سطوح انرژي حداكثري خود مشغول فعاليت است نيز به‌وضوح بيشترين قدرت پردازنده را نمايش مي‌دهد. بنابراين، تقريبا تمامي مطالعه‌هاي انجام‌شده روي پردازنده‌هاي موجود در بازار با استفاده از تنظيمات محصول نهايي بوده و در آن‌ها از تنظيمات پيشنهادي توليدكننده‌ي پردازنده استفاده نشده است.

باتوجه‌به اين اتفاق، پيشنهاد استفاده از دو مقدار TLP متفاوت به‌جاي يك مقدار ثابت براي محصولات در آينده غيرمنطقي به‌انديشه متخصصين نمي‌رسد؛ مثلا (TDP (Peak يا TDP براي سطح انرژي PL2 و (TDP(sustained يا TDP براي سطح انرژي PL1. دراين‌صورت، متخصص مي‌تواند ميزان حداكثر توان مصرفي را از توان مصرفي در حالت پردازش با فركانس پايه تشخيص دهد.