كل عامين ، يتم إطلاق جيل جديد من معالجات الكمبيوتر. لفترة طويلة ، بدا أن وحدات المعالجة المركزية (CPU) تلتزم بنفس مستوى الطاقة ، في حين أن وحدات معالجة الرسومات (GPU) زادت بمقدار ضئيل نسبيًا. ولكن في هذه الأيام ، يبدو أن الطرازات الراقية من جميع البائعين تطلق نماذج تتطلب كميات هائلة من الطاقة.
هل 250 واط لوحدة المعالجة المركزية و 450 واط لوحدة معالجة الرسومات عالية جدًا؟ هل يهتم المصنعون بهذا الأمر؟ في هذه المقالة ، سنقوم بإزالة المبددات الحرارية لننظر إلى الحقيقة وراء شخصيات القوة ونرى بالضبط ما يحدث.
لماذا تحتاج الرقائق إلى الطاقة وتسخن
يتم تصنيف وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) على أنها دوائر تكامل كبيرة الحجم (VLSI) - مجموعات هائلة من الترانزستورات والمقاومات والمكونات الإلكترونية الأخرى ، جميعها بالحجم المجهري.
تتطلب هذه الرقائق الكهرباء لتتدفق من خلالها لأداء المهام المصممة للقيام بها. تقوم وحدات المنطق الحسابي بتنفيذ الرياضيات عن طريق تبديل مجموعة من الترانزستورات ، لتغيير الفولتية المختلفة في مكان آخر في الدائرة.
تستخدم المعالجات الحديثة نوعًا من الترانزستور يسمى FinFET ( Fin Field-Effect Transistor ). فكر في هذه كجسر بين جزيرتين ، حيث يؤدي تطبيق جهد صغير إلى خفض الطريق ، مما يسمح للتيار بالمرور من مكان إلى آخر.
من الواضح أن هذا ينطوي على مرور تيار عبر الجزر وعبر الجسر ، ومن هنا تأتي الحاجة إلى الطاقة الكهربائية - بدونها ، لن تفعل الرقائق أي شيء. لكن لماذا يصابون بالحرارة بعد ذلك؟
لسوء الحظ ، كل هذه المكونات لها مقاومة لتدفق الكهرباء. المبلغ الفعلي صغير حقًا ، ولكن نظرًا لأن عدد الترانزستورات في وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات يصل إلى المليارات ، يكون التأثير التراكمي واضحًا جدًا.
قد تتمتع وحدة المعالجة المركزية النموذجية بمقاومة داخلية إجمالية تبلغ عشرات الملي أوم أو نحو ذلك ، ولكن بمجرد أن تتدفق 80 أمبير أو أكثر من التيار عبرها ، فإن الطاقة المشتتة بسبب المقاومة ستكون أكثر من 90 جول كل ثانية (أو واط ، واط) .
يتم نقل هذه الطاقة إلى المواد التي تتكون منها الشريحة بأكملها ، ولهذا السبب يسخن كل معالج أثناء عمله . يجب تبريد الرقائق الكبيرة بشكل فعال لمنع ارتفاع درجة حرارتها بشكل كبير ، لذلك يجب نقل كل هذه الحرارة إلى مكان آخر.
هناك عوامل أخرى تؤثر على مقدار الحرارة المشتتة ، مثل التسرب الحالي ، ولكن إذا كان المعالج "يفقد" الطاقة (في شكل حرارة) ، فسوف يحتاج إلى "استهلاكها" باستمرار ، ليظل يعمل.
وبعبارة أخرى ، فإن مقدار الحرارة المفقودة يشبه إلى حد كبير تصنيف طاقة الشريحة. لذلك لنبدأ بإلقاء نظرة على وحدة المعالجة المركزية ونرى كيف تغيرت متطلبات الطاقة الخاصة بهم على مر السنين.
الحقيقة المخفية وراء أرقام قوة وحدة المعالجة المركزية
لسنوات عديدة ، ذكر بائعو وحدة المعالجة المركزية استهلاك الطاقة لمعالجاتهم من خلال رقم بسيط: طاقة التصميم الحراري أو TDP. لقد مر هذا الرقم بتعريفات مختلفة ، لسوء الحظ ، مع تطور تصميمات الرقائق.
تعريف إنتل الحالي هو:
"تبديد الطاقة متوسط الوقت الذي تم التحقق من صحة المعالج بحيث لا يتجاوزه أثناء التصنيع أثناء تنفيذ عبء العمل عالي التعقيد المحدد من Intel عند التردد الأساسي وعند أقصى درجة حرارة للتقاطع"
بمعنى آخر ، إذا كانت وحدة المعالجة المركزية من Intel لديها تردد أساسي يبلغ 3.4 جيجاهرتز ودرجة حرارة قصوى تبلغ 95 درجة مئوية (203 درجة فهرنهايت) ، فسيكون تصنيف طاقتها مساويًا لـ TDP طالما أنها تعمل بهذه الحدود.
لذلك دعونا نلقي نظرة على بعض أمثلة وحدات المعالجة المركزية على مدار الـ 17 عامًا الماضية. لقد اتخذنا نماذج سطح المكتب الأكثر استهلاكا للطاقة التي تم إصدارها كل عام ، خلال تلك الفترة ، متجاهلين النماذج التي كانت تستهدف محطات العمل وما شابه ذلك.
بصرف النظر عن بعض الحالات المعزولة ، مثل AMD's FX-9590 من عام 2013 (مع TDP من 220 واط!) ، يبدو أن وحدات المعالجة المركزية (CPU) كانت متسقة للغاية في متطلبات الطاقة الخاصة بها.
ظاهريًا ، يبدو أنه لا توجد علامة على جشعهم المتزايد للسلطة ، وهو أمر جيد بوضوح. يجب أن يكون التقدم المحرز في تصنيع أشباه الموصلات ، وكذلك التصميم الأمثل للدوائر المتكاملة ، من أسباب ذلك.
المشكلة الوحيدة في ذلك هي أن كل وحدة معالجة مركزية في السوق تقريبًا يمكن أن تعمل بسرعات أعلى بكثير من ترددها الأساسي. التردد الأساسي لجهاز FX-9590 المذكور أعلاه هو 4.7 جيجاهرتز ، ولكن يمكنه زيادة معدل الساعة حتى 5.0 جيجاهرتز. إذن ماذا يحدث بعد ذلك؟
قد تعتقد أنها إجابة بسيطة: ستشتت المزيد من الطاقة ، مما يؤدي إلى سحب كمية أكبر من التيار من اللوحة الأم. لسوء الحظ ، ليس هذا هو الحال دائمًا ، لأنه يعتمد على الإعدادات التي تم تمكينها في BIOS الخاص باللوحة الأم.
يحتوي كل من Intel و AMD على عدد من الخيارات ، يمكن تنشيطها جميعًا أو إلغاء تنشيطها (اعتمادًا على ما إذا كان هناك خيار للقيام بذلك ، في BIOS) والتي ستسمح لوحدة المعالجة المركزية بإدارة قوتها وترددها.
بالتمسك بـ Intel للحظة ، فإن النظام الأساسي للقيام بذلك يسمى Turbo Boost Technology . وبغض النظر عن اسم نمط الثمانينيات ، فإن ما يفعله هذا هو التحكم الفعال في مقدار الطاقة التي يمكن أن تبددها وحدة المعالجة المركزية لحمولة معينة ، على مدى فترة زمنية معينة.
عادةً ما يكون لوحدات المعالجة المركزية من Intel حدان من هذه الطاقة ، PL1 (المعروف أيضًا باسم TDP) و PL2 ، على الرغم من توفر المزيد ...
لاحظ كيف يمكن أن يرتفع منحنى الطاقة البرتقالي إلى مستويات أعلى بكثير من PL1 والارتفاع إلى PL2 لفترة زمنية معينة. هنا ، تعمل وحدة المعالجة المركزية أعلى من ترددها الأساسي ، ولكن ليس بالضرورة عند الحد الأقصى لمعدل الساعة.
نظرًا لأن Intel تقوم بتعطيل PL3 و PL4 افتراضيًا ، فيمكننا اعتبار PL2 هو الحد الأقصى الفعلي لاستهلاك الطاقة لوحدة المعالجة المركزية - قد يكون ذلك لبضع ثوان فقط (أو اعتمادًا على إعدادات BIOS ، يمكن تشغيله بهذه الطريقة إلى الأبد) ، لكنها لا تزال أعلى قوة كهربائية ممكنة.
إذن ما هو ارتفاع PL2 عن PL1؟ تقلبت هذه القيمة مع كل طراز معالج جديد ، ولكن دعونا نفحص فقط تلك الموجودة في السنوات القليلة الماضية من مخطط TDP أعلاه.
قبل سبع سنوات ، مع أمثال Core i7-8700K ، كان هناك فرق 30 وات فقط بين PL1 و PL2 ، لكنه الآن يزيد عن 100 وات - مما يؤدي إلى مضاعفة متطلبات الطاقة بشكل فعال ، في بعض الحالات.
لا تستخدم AMD نفس التسميات والتعريفات مثل Intel ، لكن وحدات المعالجة المركزية الخاصة بها يمكنها تبديد طاقة أكبر من حد TDP أيضًا.
يُعطى الحد الأعلى على أنه تتبع طاقة الحزمة (PPT) - أقصى طاقة يمكن أن تبددها وحدة المعالجة المركزية تحت أي حمل معين. بالنسبة لجميع معالجات Ryzen المكتبية التي تحتوي على TDP يبلغ 95 وات أو أكثر ، فإن PPT يساوي 1.34 × TDP.
لذلك هناك شيء واحد واضح الآن: لقد ارتفعت وحدات المعالجة المركزية المتطورة بالتأكيد في متطلبات الطاقة القصوى المطلقة على مدار السنوات القليلة الماضية ، على الرغم من أن TDPs ثابتة نسبيًا.
يزيد موردو اللوحات الأم الأمور سوءًا ، على الرغم من ذلك ، من خلال تجاوز أمثال حدود الطاقة الافتراضية لشركة Intel وقيود الوقت ، وتعيين قيمهم الخاصة في BIOS. بمعنى آخر ، قد تصل وحدة المعالجة المركزية في إحدى اللوحات الأم إلى 120 واط بحد أقصى ، ولكنها تصل إلى 200 واط في لوحة أخرى.
لكن يجب علينا إجراء جرد في هذه المرحلة ، حيث أن جميع الأرقام الموضحة حتى الآن كانت خاصة بالنماذج المتطورة - تلك التي تتميز بأعلى سرعات على مدار الساعة وأكبر عدد من النوى.
لحسن الحظ ، تغيرت وحدات المعالجة المركزية متوسطة المدى والميزانية قليلاً جدًا ، وذلك ببساطة لأنها كانت تحتوي دائمًا على عدد نوى أقل بكثير من وحدات المعالجة المركزية.
أسفل أسفل سوق وحدة المعالجة المركزية لسطح المكتب ، يحتوي Core i3-12100F الشهير من Intel على TDP يبلغ 58 وات (و PL2 من 89 وات) ، بينما تم تصنيف Ryzen 3 4100 من AMD إلى TDP من 65 وات - إلى حد كبير نفس تلك خطوط الإنتاج كانت دائمًا.
ومع ذلك ، فإن أحدث طراز Ryzen 7600X من AMD يحتوي على TDP يبلغ 105 واط ، أي أكثر بأربعين من سابقه المباشر ، 5600X. ويحتوي Core i5-12600K من Intel على TDP لشريحة متطورة: 125W.
كل هذا يشير إلى وجود زحف واضح في استهلاك الطاقة ، في الغالب نحو الموديلات الراقية ولكن ليس بشكل حصري. إذا كنت تريد وحدة معالجة مركزية بها أكبر عدد من النوى وأعلى سرعات على مدار الساعة ، فهناك طلب كبير على الطاقة يأتي معها.
لسوء الحظ ، قد يضطر هؤلاء الأشخاص الذين يرغبون في الترقية إلى أحدث منتج متوسط المدى إلى قبول زيادة ملحوظة في الطاقة أيضًا.
وحدات معالجة الرسومات
حيث كانت وحدات المعالجة المركزية (CPU) لطيفة إلى حد ما من حيث القوة ، حتى مع مراعاة الارتفاع الأخير في الحد الأقصى ، هناك شريحة واحدة في أجهزة الكمبيوتر المكتبية أصبحت أكبر وأكثر جوعًا مع كل جيل جديد. تعد شريحة معالجة الرسومات (GPU) إلى حد بعيد أكبر أجهزة أشباه الموصلات وأكثرها تعقيدًا والتي يمتلكها معظم الناس على الإطلاق ، من حيث العدد الهائل من الترانزستورات وحجم القالب وقدرة المعالجة.
مستوى دقة الرسومات في الألعاب اليوم هو مقياس لم يكن من الممكن أن نحلم به إلا منذ 17 عامًا ، لكن تكلفة الطاقة لجميع تلك المضلعات والأنسجة والبكسل تجعل وحدات المعالجة المركزية تبدو خفيفة الوزن ، بالمقارنة.
لقد فعلنا نفس الشيء في هذا المخطط ، كما فعلنا مع وحدة المعالجة المركزية - أخذنا بطاقات الرسومات الأكثر تطلبًا للطاقة من فئة المستهلك من أفضل البائعين ، لكل عام.
قد تتفوق أمثال Ryzen 9 7950X من AMD عند 230 واط ، لكن وحدات معالجة الرسومات المتطورة كانت تبدد هذا المستوى من الطاقة منذ ما يقرب من 15 عامًا.
وكما يوضح الرسم البياني ، هناك القليل من الدلائل على أن الاتجاه لأقوى بطاقات الرسومات التي تتطلب كميات أكبر من الطاقة سينخفض على الإطلاق ، حيث من الواضح أن اتجاهات كلا البائعين لا تتناقص ، على الرغم من أن الارتباط ليس قويًا للغاية.
مع إطلاق Nvidia لـ GeForce RTX 4090 ، الذي يضم شريحة تحتوي على 76 مليار ترانزستور و TDP يبلغ 450 واط ، حقق الشريط قفزة كبيرة إلى أعلى.