INGENIERÍA ELECTRICA

La disipación de energía de la unidad central de procesamiento o la disipación de energía de la CPU es el proceso en el cual las unidades centrales de procesamiento (CPU) consumen energía eléctrica y disipan esta energía en forma de calor debido a la resistencia en los circuitos electrónicos .

Administración de energía [ editar ]

Ver también: TDP variable

El diseño de CPU que realizan tareas de manera eficiente sin sobrecalentamiento es una consideración importante de casi todos los fabricantes de CPU hasta la fecha. Algunas implementaciones de CPU usan muy poca energía; por ejemplo, las CPU en los teléfonos móviles a menudo usan solo unos pocos vatios de electricidad, ^[1] mientras que algunos microcontroladores utilizados en sistemas integrados pueden consumir solo unos pocos milivatios o incluso tan solo unos pocos microvatios. En comparación, las CPU en computadoras personales de uso general , como computadoras de escritorio y portátiles, disipan significativamente más potencia debido a su mayor complejidad y velocidad. Estas CPU microelectrónicas pueden consumir energía del orden de unos pocos vatios a cientos de vatios. Históricamente, las primeras CPU implementadas con tubos de vacío consumían energía del orden de muchos kilovatios .

Las CPU para computadoras de escritorio generalmente usan una porción significativa de la energía consumida por la computadora . Otros usos importantes incluyen tarjetas de video rápidas , que contienen unidades de procesamiento de gráficos , ^[2] y fuentes de alimentación . En las computadoras portátiles, la retroiluminación de la pantalla LCD también utiliza una parte significativa de la energía total. Si bien se han instituido funciones de ahorro de energía en las computadoras personales para cuando están inactivas, el consumo general de las CPU de alto rendimiento de hoy es considerable. Esto está en fuerte contraste con el consumo de energía mucho menor de las CPU diseñadas para dispositivos de baja potencia. Una de estas CPU, la Intel XScale , puede funcionar a 600  MHzque consumen menos de 1 W de potencia, mientras que los procesadores Intel x86 para PC en el mismo soporte de rendimiento consumen unas pocas veces más energía.

Hay algunas razones de ingeniería para este patrón.

• Para un dispositivo dado, operar a una frecuencia de reloj más alta puede requerir más potencia. La reducción de la frecuencia de reloj o la subvolución generalmente reduce el consumo de energía; También es posible subvolucionar el microprocesador mientras se mantiene la velocidad del reloj igual. ^[3]
• Las nuevas características generalmente requieren más transistores , cada uno de los cuales usa energía. Desactivar las áreas no utilizadas ahorra energía, como a través de la activación del reloj .
• A medida que el diseño de un modelo de procesador madura, los transistores más pequeños, las estructuras de bajo voltaje y la experiencia de diseño pueden reducir el consumo de energía.

Los fabricantes de procesadores generalmente lanzan dos números de consumo de energía para una CPU:

• Potencia térmica típica , que se mide bajo carga normal. (por ejemplo, la potencia promedio de CPU de AMD )
• potencia térmica máxima , que se mide bajo una carga en el peor de los casos

Por ejemplo, el Pentium 4 2.8 GHz tiene 68.4 W de potencia térmica típica y 85 W de potencia térmica máxima. Cuando la CPU está inactiva, consumirá mucho menos que la potencia térmica típica. Las hojas de datos normalmente contienen la potencia de diseño térmico (TDP), que es la cantidad máxima de calor generada por la CPU, que el sistema de enfriamiento en una computadora debe disipar . Dispositivos Intel y Microdispositivos avanzados(AMD) han definido TDP como la máxima generación de calor durante períodos térmicamente significativos, mientras se ejecutan cargas de trabajo no sintéticas en el peor de los casos; por lo tanto, TDP no refleja la potencia máxima real del procesador. Esto garantiza que la computadora pueda manejar esencialmente todas las aplicaciones sin exceder su envoltura térmica, o que requiera un sistema de enfriamiento para la máxima potencia teórica (lo que costaría más pero a favor de un margen adicional para la potencia de procesamiento). ^[4] [5]

En muchas aplicaciones, la CPU y otros componentes están inactivos la mayor parte del tiempo, por lo que la energía inactiva contribuye significativamente al uso general de la energía del sistema. Cuando la CPU utiliza funciones de administración de energía para reducir el uso de energía, otros componentes, como la placa base y el conjunto de chips, ocupan una mayor proporción de la energía de la computadora. En aplicaciones donde la computadora a menudo está muy cargada, como la computación científica, el rendimiento por vatio (cuánto computa la CPU hace por unidad de energía) se vuelve más significativo.

Fuentes [ editar ]

Hay varios factores que contribuyen al consumo de energía de la CPU; incluyen el consumo de energía dinámico, el consumo de energía de cortocircuito y la pérdida de energía debido a las corrientes de fuga del transistor :

$${\ displaystyle P_ {cpu} = P_ {dyn} + P_ {sc} + P_ {leak}}

El consumo dinámico de energía se origina en la actividad de las puertas lógicas dentro de una CPU. Cuando las puertas lógicas se alternan, la energía fluye a medida que los condensadores dentro de ellos se cargan y descargan. La potencia dinámica consumida por una CPU es aproximadamente proporcional a la frecuencia de la CPU y al cuadrado del voltaje de la CPU: ^[6]

$${\ displaystyle P_ {dyn} = CV ^ {2} f}

donde C es capacitancia, f es frecuencia y V es voltaje.

Cuando las puertas lógicas se alternan, algunos transistores en su interior pueden cambiar de estado. Como esto lleva una cantidad de tiempo finita, puede suceder que durante un período muy breve algunos transistores conduzcan simultáneamente. Una ruta directa entre la fuente y la tierra resulta en una pérdida de potencia de cortocircuito. La magnitud de este poder depende de la puerta lógica, y es bastante complejo de modelar a nivel macro.

El consumo de energía debido a fugas de energía emana a un micro nivel en los transistores. Pequeñas cantidades de corrientes siempre fluyen entre las partes dopadas de manera diferente del transistor. La magnitud de estas corrientes depende del estado del transistor, sus dimensiones, propiedades físicas y, a veces, temperatura. La cantidad total de corrientes de fuga tiende a inflarse para aumentar la temperatura y disminuir los tamaños de los transistores.

El consumo de energía dinámico y de cortocircuito depende de la frecuencia del reloj, mientras que la corriente de fuga depende de la tensión de alimentación de la CPU. Se ha demostrado que el consumo de energía de un programa muestra un comportamiento de energía convexo, lo que significa que existe una frecuencia óptima de CPU en la que el consumo de energía es mínimo. ^[7]

Reducción [ editar ]

El consumo de energía se puede reducir de varias maneras, ^{[ cita requerida ]} incluyendo lo siguiente:

• Reducción de voltaje: CPU de doble voltaje , escala de voltaje dinámico , subvoltaje , etc.
• Reducción de frecuencia: subclocking , escala de frecuencia dinámica , etc.
• Reducción de capacitancia: circuitos cada vez más integrados que reemplazan las trazas de PCB entre dos chips con una interconexión de metal en chip de capacitancia relativamente más baja entre dos secciones de un solo chip integrado; dieléctrico de baja k , etc.
• Técnicas como la activación de reloj y la sincronización globalmente asíncrona localmente , que se puede considerar como una reducción de la capacitancia activada en cada tic del reloj, o que se puede considerar como una reducción local de la frecuencia de reloj en algunas secciones del chip
• Diversas técnicas para reducir la actividad de conmutación: número de transiciones que las unidades de CPU en buses de datos fuera del chip, como el bus de direcciones no multiplexado , la codificación del bus como el direccionamiento de código Gray , ^[8] o la codificación de caché de valores como el protocolo de alimentación ^{[9 ]}
• Sacrificar la densidad del transistor para frecuencias más altas.
• Capa de zonas de conducción de calor dentro del marco de la CPU ("Christmassing the Gate").
• Reciclar al menos parte de esa energía almacenada en los condensadores (en lugar de disiparla como calor en los transistores): circuito adiabático , lógica de recuperación de energía, etc.
• Optimización del código de la máquina: al implementar optimizaciones del compilador que programan grupos de instrucciones utilizando componentes comunes, la potencia de la CPU utilizada para ejecutar una aplicación se puede reducir significativamente. ^[10]

Frecuencias de reloj y diseños de chips multinúcleo [ editar ]

Históricamente, los fabricantes de procesadores ofrecieron consistentemente aumentos en las velocidades de reloj y el paralelismo a nivel de instrucción , de modo que el código de un solo subproceso se ejecutó más rápido en los procesadores más nuevos sin modificación. ^[11] Más recientemente, para gestionar la disipación de potencia de la CPU, los fabricantes de procesadores prefieren los diseños de chips de múltiples núcleos , por lo tanto, el software debe escribirse de manera multiproceso o multiproceso para aprovechar al máximo dicho hardware. Muchos paradigmas de desarrollo de subprocesos múltiples introducen gastos generales y no verán un aumento lineal en la velocidad en comparación con el número de procesadores. Esto es particularmente cierto al acceder a recursos compartidos o dependientes, debido al bloqueocontención. Este efecto se hace más notable a medida que aumenta el número de procesadores.

Recientemente, IBM ha estado explorando formas de distribuir la potencia informática de manera más eficiente imitando las propiedades de distribución del cerebro humano. ^[12]

Sobrecalentamiento de la CPU [ editar ]

El procesador puede dañarse por el sobrecalentamiento, pero los proveedores protegen a los procesadores con medidas de seguridad operativas como la aceleración y el apagado automático. Cuando un núcleo excede la temperatura de aceleración establecida, los procesadores pueden reducir la potencia para mantener un nivel de temperatura seguro y si el procesador no puede mantener una temperatura de operación segura a través de acciones de aceleración, se apagará automáticamente para evitar daños permanentes.

El índice de duración de interrupción promedio total del cliente (CTAIDI) ^[1] es un indicador de confiabilidad asociado con la distribución de energía eléctrica . ^[2] CTAIDI es la duración total promedio de la interrupción para los clientes que tuvieron al menos una interrupción durante el período de análisis , y se calcula como:

$${\ displaystyle {\ mbox {CTAIDI}} = {\ frac {\ sum {U_ {i} N_ {i}}} {N_ {io}}}}

dónde $${\ displaystyle N_ {i}} es el número de clientes y $${\ displaystyle U_ {i}} es el tiempo de interrupción anual por ubicación $${\ displaystyle i}y $${\ displaystyle N_ {io}} es el número de clientes en la ubicación $${\ displaystyle i}que fueron interrumpidos En otras palabras,

$${\ displaystyle {\ mbox {CTAIDI}} = {\ frac {\ mbox {suma de las duraciones de las interrupciones del cliente}} {\ mbox {número de clientes distintos interrumpidos}}}}

El CTAIDI se mide en unidades de tiempo, como minutos u horas. Es similar a CAIDI , pero CAIDI divide la duración total de las interrupciones por la cantidad de interrupciones, mientras que CTAIDI divide por la cantidad de clientes interrumpidos. Cuando CTAIDI es mucho mayor que CAIDI , las interrupciones del servicio se concentran más entre ciertos clientes.

CTAIDI también tiene el mismo numerador que SAIDI , pero SAIDI divide la duración total de las interrupciones por el número total de clientes atendidos. La fracción de clientes distintos interrumpidos ilustra la relación entre varios indicadores de confiabilidad:

$${\ displaystyle {\ frac {N_ {io}} {N_ {i}}} = {\ frac {\ mbox {SAIDI}} {\ mbox {CTAIDI}}} = {\ frac {\ mbox {SAIFI}} { \ mbox {CAIFI}}}}

La generación distribuible se refiere a fuentes de electricidad que se pueden usar a pedido y despacharse a solicitud de los operadores de la red eléctrica, de acuerdo con las necesidades del mercado. Los generadores distribuibles se pueden encender o apagar, o pueden ajustar su potencia de salida de acuerdo con un pedido. ^[1] Esto contrasta con las fuentes de energía renovable no despachables, como la energía eólica y la energía solar fotovoltaica , que los operadores no pueden controlar. ^[2] Los únicos tipos de energía renovable que se pueden enviar sin almacenamiento de energía separado son la conversión de energía térmica hidroeléctrica , de biomasa , geotérmica y oceánica .^[3]

Las plantas despachables tienen una velocidad diferente a la que pueden despacharse. Las plantas más rápidas para despachar son las centrales hidroeléctricas y las centrales de gas natural . Por ejemplo, la planta de almacenamiento de bombeo Dinorwig de 1.728 MW puede alcanzar una potencia total en 16 segundos. ^[4] Aunque en teoría es despachable, ciertas plantas térmicas como la nuclear o la del carbón están diseñadas para funcionar como plantas de energía de carga base y pueden tardar horas o, a veces, días en apagarse y luego volver a encenderse. ^[5]

El atractivo del almacenamiento de energía a escala de servicios públicos es que puede compensar la indeterminación de la energía eólica y la energía solar fotovoltaica. Durante 2017, la energía de almacenamiento solar térmico se ha vuelto más barata y una fuente despachable a granel. ^{[6] [7] [8] [9]} Anteriormente, las tecnologías de almacenamiento a gran escala asequibles que no sean hidro no estaban disponibles.

Las razones principales por las que se necesitan centrales eléctricas despachables son: ^[10]

1. para proporcionar reservas giratorias (control de frecuencia),
2. para equilibrar el sistema de energía eléctrica (carga siguiente),
3. para optimizar el despacho de generación económica (orden de mérito), y
4. para contribuir a despejar la congestión de la red (redispatch).

Los casos de uso para generadores despachables comprenden:

• Coincidencia de carga: los cambios lentos en la demanda de energía entre, por ejemplo, noche y día, también requieren cambios en el suministro, ya que el sistema debe estar equilibrado en todo momento (consulte también Electricidad ).
• Coincidencia de picos: cortos períodos de tiempo durante los cuales la demanda excede la producción de las plantas de coincidencia de carga; La generación capaz de satisfacer estos picos de demanda se implementa a través del despliegue rápido de salida por fuentes flexibles.
• Tiempos de entrada: períodos durante los cuales se emplea una fuente alternativa para complementar el tiempo de espera requerido por las grandes plantas alimentadas con carbón o gas natural para alcanzar la producción total; Estas fuentes de energía alternativas se pueden implementar en cuestión de segundos o minutos para adaptarse a los choques rápidos en la demanda o la oferta que no pueden satisfacer los generadores de igualación de picos.
• Regulación de frecuencia o fuentes de energía intermitentes: los cambios en la salida de electricidad enviada al sistema pueden cambiar la calidad y la estabilidad del sistema de transmisión debido a un cambio en la frecuencia de la electricidad transmitida; Las fuentes renovables como la eólica y la solar son intermitentes y necesitan fuentes de energía flexibles para suavizar sus cambios en la producción de energía.
• Respaldo para generadores de carga base: las plantas de energía nuclear, por ejemplo, están equipadas con sistemas de seguridad de reactores nucleares que pueden detener la generación de electricidad en menos de un segundo en caso de emergencia.