Главная » Аппетит приходит во время еды
Первое время компьютеры были гигантскими махинами, да и предназначались они для сложных инженерных и научных расчетов, а вовсе не для раскладывания пасьянса бухгалтерами да секретаршами,потому проблемы энергопотребления не было - нужно было любой ценой обеспечить максимальную производительность. Первые персональные компьютеры, благодаря использованию микросхем и микропроцессоров, потребляли весьма немного.

Пожалуй, проблема энергопотребления возникла в эпоху SocketZ Связано это было с появлением в компьютере большего числа комплектующих, расширяющих возможности ПК - всякого рода карт расширения, нескольких жестких дисков, накопителей на компакт-дисках. Большое число накопителей заставило повысить мощность блоков питания. Компьютерам уровня Pentium Pro уже были желательны модели на 250 Вт. Однако уже тогда возник главный вопрос, связанный с БП - их качество. Наклейка на самом блоке может быть любой, хоть маркером 8 КВт напиши, но количество и качество использованных в нем компонентов не вырастет. Автор лично является обладателем двух блоков питания от CWT, 250 Вт, один из которых ATX, другой - AT. Один выглядит хорошей поделкой, просто малой мощности - 120-мм вентилятор с терморегулятором оборотов, качественные конденсаторы нормального номинала, детали подобраны нормальные (транзисторы, а не диоды Шоттки). Второй же больше похож на победителя соревнований: «Кто соберет блок с минимальным числом деталей так, чтобы он сразу не взорвался?»
Главные едоки
Не будем рассматривать случаи, когда человек покупает компьютер с процессором Intel Core 2 Duo, картой NVIDIA GeForce 8800GT и блоком 400 Вт и жалуется, что процессор всего до 3.3 ГГц разгоняется. Все-таки, тема у нас - историческая, а в нормальном компьютере уровня Pentium ll/lll мощность блока питания составляла порядка 250-300 Вт. Кто же является главным потребителем в компьютере? Главный потребитель - это, конечно же, процессор. По крайней мере, большую часть рассматриваемого отрезка времени это было именно так. Приглядимся к CPU более пристально.
В эпоху процессоров i486 (80486) изделия Intel об­ладали максимальным тепловыделением порядка 7.5 Вт. Процессоры AMD, превосходившие их по скорости, - 3.7 Вт. Большинству i486 процессоров хватало радиатора, и лишь некоторым требовался полноценный кулер - радиатор с вентилятором. С ростом частот вентиляторы поселились в компью­терах обычных пользователей и с каждым годом лишь множатся в числе. Энтузиасты научились бороться с ними, но вот люди, не столь опытные в этом, и компании-сборщики готовых компьютеров - нет.
С приходом новой платформы - Socket7 - энергопотребление неминуемо росло. AMD К5 мог потреблятьдо 16 Вт, Кб - до 30 Вт, однако типовое энергопот­ребление последнего лежало в пределах 18 Вт, что значительно ниже. Первые AMD Кб были выпущены по 0.35-микронному техпроцессу. Более поздние версии, с номинальным напряжением в 2.2 В и максимальным потреблением в 15 Вт основывались на 0.25-микронном техпроцессе. Процессоры Cyrix 6x86 обладали энергопотреблением до 25 Вт, следующее поколение 6х86МХ/МН подняло эту планку лишь ненамного - до 27 Вт в пике. IDT Winchip потребляли в пике порядка 16 Вт, что оказалось заметно ниже их конкурентов. И это при том, что напряжение их питания составляло 3.52 В! Впрочем, чрезвычайно низкая скорость не способствовала их популярности, ввиду чего их расцвет был недолгим.
Intel Pentium, так называемый Р54С имел энерго­потребление старшей модели на уровне 15 Вт при уровне напряжения в 3.5 В, Р55 (MMX) -17 Вт при 2.8 В. По сравнению с мощностями блоков питания и суммарным потреблением прочих компонентов это были еще цветочки - ягодки ждали впереди...


Удвоение аппетитов
С этого момента пути процессорных гигантов разо­шлись, и каждый продвигал уже свою платформу. Pentium Pro, обладавший встроенным кэшем второго уровня весьма солидного по тем временам объема, имел также и весьма высокую «прожор­ливость» - от 30 Вт у младших моделей до 47 Вт у старших, с одним мегабайтом кэша. Все это при напряжении около 3.3 В.

[b]ПРОЦЕССОРЫ INTEL PENTIUM 4 ПОТРЕБЛЯЛИ НАСТОЛЬКО МНОГО, ЧТО СПЕЦИАЛЬНО ДЛЯ ИХ ПИТАНИЯ ПРИШЛОСЬ ВВЕСТИ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ РАЗЪЕМ НА МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЕ, ОБОЗНАЧЕННЫЙ ATX12V.

Затем было выпущено поколение Pentium II, старшая модель которого, Р2-300 на ядре Klamath, обладала энергопотреблением в 43 Вт, питаясь от напряжения в 2.8 В. Более поздние процессоры, в том числе и Pentium 3, так и не смогли побить сей «рекорд». Лишь процессорам Pentium 2 Хеоп это удалось - обладая потреблением уровня 47 Вт и напряжением 2.0 В. Время шло, выходили процессоры Pentium III, сначала на ядре Katmai, затем Coppermine и венец эволюции - Tualatin. Каждое следующее ядро было выполнено по более «тонкому» техпроцессу, что позволяло снизить энергопотребление, несмотря на рост тактовых частот. Так, для Katmai эта цифра составляла 2.0 В, для Coppermine -1.65 В, для Tualatin-1.45 В.
AMD тем временем выпустила новый процессор и новую платсформу - Slot А. Процессор, имевший кодовое имя Argon, к выпуску получил от маркетологов новую броскую марку-Athlon. Ситуация, когда продукт разрабатывается под одним кодовым или рабочим названием, а выходит под другим - вполне нормальна. Процесс сей называется брендингом. Суть заключа­ется в том, что для успешных продаж необходимы не только лучшие характеристики, но и привлекательное и, главное, запоминающееся название. Процессор AMD К7 (7 обозначает поколение процессора) питался от напряжения до 1.8 В и потреблял до 65 Вт. Затем AMD, как и Intel, отказалась от конструкции процессорных картриджей, вернувшись к тради­ционной форме. Было выпущено ядро Thunderbird, питавшееся от напряжения 1.75 В и потреблявшее до 65 Вт. а затем и Palomino, выпущенное по тому же 0.18-микронному техпроцессу, но переделанное. Про­цессоры К7 получили прозвище «печек», поскольку грелись и, соответственно, потребляли заметно больше Intel. Уже следующие ядра - Thoroughbred и чуть измененное Barton - были основаны на 0.13-микронном техпроцессе. Их типичное напряжение составляет 1.65 В. энергопотребление - до 77 Вт у модели 3200+.
Впрочем, на данном этапе даже с разгоном хватало блока питания на 350 Вт, как было сказано, «честных». Потому хоть системы охлаждения в это время и получили резкий скачок, с блоками питания всплеск произошел позже.
Стоваттный рубеж
Тем временем Intel активно развивает Pentium 4, начав с откровенно неудачного ядра Willamette, обладавшего напряжением 1.75 В и тепловыделением в пике до 100 Вт для модели с частотой 2.0 ГГц. Процессоры Р4 потребляли настолько много, что специально для их питания пришлосьввести специальный разъем на материнской плате, ATX12V. Это четырехконтактный разъем, имеющий два провода с напряжением +12 В (желтые) и два с землей, нейтральные (черные). Сделано это было по соображениям безопасности - из формулы мощнос­ти электрического тока следует, что мощность равна произведению напряжения и силы тока. Если сила тока будет слишком велика, это вызовет проблемы с перегрузками и необходимостью использования более дорогостоящих компонентов, чтобы справиться с нагрузкой. Потому логичным шагом было сделать подачу питания от 12 В, что требовало меньшей силы тока, нежели в случае с 5 В. Однако многие недобросовестные производители брали блок питания, рассчитанный преимущественно на нагрузку на +5 В и впаивали туда провода и разъем ATX12V, со спокойной совестью клея на него ярлык: Pentium 4 power supply. Затем вышло одно из немногих ядер для Р4, заслужившее похвалы оверклокеров и простых пользователей. Это было ядро Northwood, основанное также на 0.13-микронном техпроцессе, но обладавшее заметно меньшим энергопотреблением и, как следствие, нагревом. Его частотный потенциал вырос весьма заметно, но вместе с ним выросло и энергопотребление. Старшие модели имели TDP порядка 89 Вт, но и частота составляла 3.4 ГГц на 200 МГц шине (800QPB).
Тут стоит сделать замечание. При выпуске процес­сора обе компании - что AMD, что Intel - публикуют их TDP (Thermal Design Power), проектную тепловую мощность, исходя из которой надо рассчитывать дизайн материнских плат и систем охлаждения. Так вот, считать ватты и тут можно по-разному. Intel под своей маркировкой подразумевает типичное тепловыделение, с учетом факта, что постоянные 100% нагрузки маловероятны. По сути, если ты каждый день не кодируешь видео, не являешься пиратом, архивирующим терабайты, или кранчером, участвующим в распределенных вычислениях, это замечание справедливо. Однако AMD поступает более честно, указывая в качестве TDP теоретический максимум, которого без изощренности, присущей инженерам их лабораторий, не достигнуть. То есть в эту цифру заложена возможность работы при самых неблагоприятных условиях, что, в общем-то, и должен делать процессор. На деле выходит, что 89 Вт у AMD могут быть холоднее, чем 70 Вт у Intel. Intel сообщает, что TDP обозначает тепловыделение при нагрузке процессора приложениями в 75% от максимума. То есть скашивает четверть. Intel применила в своих платах хитрость: при повышении нагрузки плата понижала напряжение. подаваемое на процессор. Сделано это было по нескольким причинам: чтобы снизить нагрузку на цепи питания, в частности, конденсаторы, удешевив производство плат. Связано это с тем, что при расчетах конденсаторов важно соотношение изменения силы тока на единицу времени и допустимого при этом проседания напряжения. Если допустимое проседание увеличить, то требования снизятся. Механизм сей называется vdroop. Второй причиной было снижение энергопотребления при нагрузке (при максимальной силе тока напряжение проседает больше всего). Вдобавок, не стоит забывать, что вархитектуре Netburst (кодовое название архитектуры Pentium 4) ALU (арифметико-логические модули, ответственные за логические операции и операции с целыми числами) работают на удвоенной частоте процессора, тем самым являясь наиболее горячими его частями.
Следующим ядром был Prescott. Сразу же получив звание заслуженной печки, процессор не добавил производительности, даже несмотря на больший кэш. Поначалу платы, не рассчитывавшиеся на столь высокие токи, умирали - выкипал электролит в конденсаторах, мосфеты (полевые транзисторы) не выдерживали нагрузки. Потом цепи питания усилили, дабы они могли питать этих монстров. Одна из ранних ревизий этого ядра, СО, выделяла порядка 125 Вт тепла, что было просто невероятно. До сих пор данные процессоры изредка встречаются у пользователей. всплывая чаще всего в связи с проблемами с охлаждением. Чуть позже их тепловыделение удалось понизить до 103 Вт у степпинга DO. Последним одноядерным решением на архитектуре Pentium 4 стало ядро Cedar Mill. Это был 65-нм аналог ядра Prescott-2M. Он также обладал 2 Мб кэшано меньшим напряжением питания и потреблением. Его TDP составлял 86 Вт для ранних ревизий и 65 Вт для последней - DO.
Двуядерные обжоры
Затем произошло нечто: Intel объявила о выпуске двуядерных процессоров, являющихся по сути двумя ядрами, расположенными на одной подложке. Первой линейкой, Pentium D 8хх, стали объединенные вышеуказанным способом «Прескотты». Intel даже пришлось снизить частоту используемых кристаллов ввиду очень большого тепловыделения - TDP доходил до 130 Вт. Сила тока достигала 125 А! Специально для двуядерных процессоров была разработана новая модификация разъема питания - число контактов увеличено до восьми, соответственно, вдвое больше проводов +12 В и земли. Последующий выпуск Pentium D 9хх немного улучшил ситуацию. Будучи основанным на двух 65-нм ядрах Cedar Mill, он получил в наследство и меньшее энергопотребление. Однако частоты, остановившись на отметке в 3.6 ГГц, не были повышены. Экстремальные версии прошли лишь немногим дальше, встав у частоты 3.73 ГГц. Этого было явно мало для конкурентной борьбы с детищами Advanced Micro Devices.
Во время выпуска платформы LGA775 Intel добав­ляет нововведение - из серверного сегмента в настольные платы приходит 24-контактный разъем АТХ. Он совместим со старым, то есть к нему можно подключить 20-контактный блок питания, оставив 4 контакта свободными. Сделано это было для увеличения стабильности токов путем уменьшения нагрузки на провода.


Первые шаги к экономии
AMD достаточно долгое время разрабатывала процессор с кодовым названием Hammer. Результа­том стал 64-битный процессор Athlon 64. Его весьма низкое энергопотребление вкупе с технологиями энергосбережения, а также высокой скоростью сделали его очень выгодной покупкой. Технология энергосбережения Cool & Quite позволяла понижать множитель процессора при простое, тем самым заставляя работать его на меньшей частоте. Энергопотребление первых Athlon 64, основанных на ядрах Sledgehammer и Newcastle, доходило до 89 Вт, однако были модели и на 50 и на 22 Вт. Новое ядро Winchester понизило энергопотребление до 67 Вт, но было неспособно работать на столь же высоких частотах, ограничиваясь младшими и средними моделями. Следующее за ним Venice было основано на 90-нм техпроцессе и позволило еще и нарастить частоты. Его аналог с 1 Мб кэша, ядро San Diego, ис­пользовалось для производства процессоров 3700+ и 4000+, причем TDP дошел до 104 Вт. Не стоит при этом забывать, что это не типовое тепловыделе­ние. и реально он был гораздо холоднее. Да и TDP обычно определяют «ступеньками». Так, процессоры, различающиеся частотой на 200-400 МГц, могут лежать в рамках одного TDP, скажем, 89 Вт, а следующий за ними при минимальной разнице в частоте может получить TDP104 Вт. Это связано, как уже говорилось, с дизайном плат. Подразумевается, что если плата обеспечивает запас 89 Вт, то сможет питать одну серию процессоров, а при 104 Вт - еще и более «прожорливую». Просто делать для каждого процессора TDP точно - весьма накладно, проще реализовать два-три деления. Возвращаясь к модели 4000+, можно увидеть, что процессор Venice 3800+, работавший на частоте 2.4 ГГц и имевший 512 Кб кэша, помещался в тепловой пакет 89 Вт, тогда как 3000+, 3200+. 3500+ имели TDP 67 Вт. Это ни в коем случае не значит, что при росте частоты с 1800 МГц у модели 3000+ до 2200 МГц упроцессора 3500+ энергопотребление не росло, а на частоте 2400 МГц у 3800+ выросло сразу на 22 Вт. то есть 33%. Процессор же San Diego, обладая той же частотой 2400 МГц, но 1 Мб кэша имел тепловой пакет в 104 Вт, что на 15 Вт больше. Увеличение кэша само по себе такого прироста не даст.
AMD также выпустила двуядерные процессоры. В настольном сегменте, куда они попали позже серверного и чуть позже решений конкурента. они стали называться Athlon 64 Х2. При этом они не пострадали от снижения частоты относительно одноядерных собратьев, поскольку не испытывали таких же проблем с тепловыделением, как Intel. Оба ядра являлись монолитным кристаллом. Энергопотребление двуядерников доходило до 110 Вт (TDP) у процессоров под Socket 939 и до 125 Вт - у Socket АМ2. С переходом на новый сокет их положением на рынке осложнилось выходом нового поколения у Intel. AMD начала производство процессоров ЕЕ - Energy Efficient. то есть обладающих меньшим напряжением питания и, как следствие, меньшим потреблением и тепловыделением. Новый степпинг F3 позволил снизить для большинства процессоров аппетит с 89 Вт до 65 Вт. Но старшие модели за счет высокой частоты все же ушли дальше предшественников. И тут AMD сделала еще один ход: выпустила двухпроцессорную платформу, основанную на двуядерных процессорах. Соответственно, энергопотребление процессоров удвоилось. Старшие процессоры под эту платформу потребляли 125 Вт каждый.
Новые поколения
Intel выпускает Сопгое - двуядерный процессор нового поколения на монолитном кристалле. Его TDP лежит в пределах 65 Вт, что заметно ниже Pentium D. Затем, привычным жестом, выпускает два чипа на одной подложке, тем самым получив четырехъядерный процессор. Тепловыделение подрастает до 105 Вт у младшей модели. Q6600, работающей на частоте 2.4 ГГц, и до 130 Вт у старшей QX6850 с частотой 3.0 ГГц. Затем разрабатывается поколение Penryn, основанное на 45-нм техпроцессе и привнесшее мелкие изменения. Главным из них стали уменьшенные токи утечки ввиду использования транзисторов с металлическим затвором. Двуядерные Wolfdale обладают почти теми же частотами, что и Сопгое, и идентичным TDP - 65 Вт. Но реально их потребление - ниже, чем у пращуров. Четыре ядра процессора Yorkfield имеют TDP 95 Вт для младших и средних моделей и 130 Вт для QX9650. Старший в семействе и последний для данного разъема процессор QX9770 обладает потреблением в 136 Вт и максимальной силой тока в 140 А. Но это не самая большая мощность. Intel, последовав примеру AMD. представила платформу Skulltrail, которая является по сути старой доброй Intel V8. объединяющей два четырехъядер-ных процессора. A V8 является переименованным dual Хеоп с разъемом LGA771. Старший процессоримеет TDP в 150 Вт, а два таких, стало быть. 300 Вт! Недаром для разгона такой системы Fugger и Kingpin использовали блок питания мощностью 1000 Вт, причем от известной компании Enermax.
AMD также выпустила новое поколение процессоров. Кодовое название архитектуры было K8L, а процессора-Barcelona. Позже архитектура была переименована в К10, а «Барселоной» назвали серверный вариант процессора. Настольный вышел позже и был назван Agena. Основаны они были на 65-нм техпроцессе и сделаны монолитным чипом. Средние и младшие представители четырехъядерного семейства обладали TDP в 95 Вт, равно как и трехъядерные модели. Напряжение питания составило 1.25 В. Старшие же процессоры семейства, работающие на частотах 2.4 и 2.5 ГГц, имеют потребление 125 Вт. AMD планирует расширять линейку выпуском более низкочастотных версий процессора. наподобие Phenom Х4 9100е, с частотой 1.8 ГГц и напряжением 1.15 В. Потребление такого процессора будет находиться в рамках 65 Вт.
Что ж, утончающийся техпроцесс снижает энерго­потребление, но множащиеся ядра загоняют TDP выше прежнего. Intel в погоне за новыми высотами не считается с энергопотреблением. AMD - ста­рается держать марку, сохраняя одно из немногих своих конкурентных преимуществ. Впереди 32-нм техпроцесс и стремительный рост числа ядер. Каких мощностей это потребует от блоков питания обычных юзеров - увидим.
Факторы энергопотребления
Вообще, как уже было сказано, мощность зависит от силы тока и напряжения. Но от чего зависят они? Уже не раз встречалось понятие техпроцесса - попробую пояснить, что это такое и почему он так важен. Производство процессоров выполняется следующим образом: в камеру помещается кремниевая пластина диаметром в 300 мм (почти везде). Затем выпускается лазерный луч. Он проходит через последовательность вогнутых зеркал, которые сужают пучок. Затем лучи попадают на так называемую «вафлю» - шаблон, содержащий негатив снимка будущего процессора. В местах затемнения негатива лучи поглощаются, а в светлых - отражаются дальше. После чего проходят систему вогнутых зеркал и попадают на эту пластину. Лучи выжигают рисунок, который образовался после попадания пучка на негатив. Выжигаются соединительные дорожки и прочее. Этот процесс называется литографией. Под цифрой техпроцесса подразумевается ширина затвора транзистора, выполненного по этой норме. По большей части в процессоре ток расходуется на открытие и закрытие затвора транзистора. Чем больше затвор, тем большее напряжение необходимо для его сдвигания. Чем больше транзисторов - тем больший ток. Но с каждым новым техпроцессом затвор становится меньше. Потому требуется меньшее напряжение для его стабильной работы. Также внедряются решения, уменьшающие токи утечки, благодаря чему процессор греется и потребляет ток «в никуда» заметно меньше. Именно эти факторы и делают техпроцесс важным этапом для разработки новых процессоров и снижения потребления существующих.
Категория: Железо | Просмотров: 513