关于CPU和GPU功耗的那些事

　　每隔几年，就会推出新一代的计算机处理器。在很长一段时间里，CPU似乎坚持相同的功率水平，而GPU只增加了相对较少的数量。但如今，似乎所有供应商的高端型号都在发布需要大量功率的型号。
　　CPU 的 250W 和 GPU 的 450W 是否太高？制造商甚至关心这一点吗？在本文中，我们将剥离散热器，看看功率数字背后的真相。
　　为什么芯片需要电源并发热
　　CPU和GPU被归类为超大规模集成电路（VLSI） - 大量的晶体管，电阻器和其他电子元件的集合，所有尺寸都是微小的。
　　这种芯片需要电流流过它们，以执行它们设计的任务。算术逻辑单元通过切换大量晶体管来执行数学运算，以改变电路中其他位置的各种电压。
　　现代处理器使用一种称为FinFET（鳍场效应晶体管）的晶体管。把这些想象成两个岛屿之间的桥梁，施加小电压便可以连通，允许电流从一个地方传递到另一个地方。
　　显然，这涉及电流通过岛屿和桥梁，因此需要电力 - 没有它，芯片根本无法做任何事情。但是为什么它们会发热呢？
　　这是因为所有这些组件都对这种电流有阻力。实际数量确实很小，但考虑到CPU和GPU中的晶体管数量达到数十亿，累积效应非常明显。
　　指尖上有三十亿个晶体管
　　典型的CPU可能只有十几毫欧的总内阻，但是一旦它有80A或更多的电流流过它，由于电阻而耗散的能量将超过每秒90焦耳（或瓦特，W）。
　　这种能量被转移到构成整个芯片的材料上，这就是为什么每个处理器在工作时都会变热的原因。大芯片需要主动冷却以防止其温度上升过高，因此所有这些热量都需要转移到其他地方。
　　还有其他因素会影响散热量，例如电流泄漏，但如果处理器＂损失＂能量（以热量的形式），则需要不断＂消耗＂它以保持功能。
　　换句话说，损失的热量几乎与芯片的额定功率相同。因此，让我们首先看一下中央处理单元，看看它们的功率要求多年来是如何变化的。
　　CPU功耗数据背后隐藏的真相
　　多年来，CPU供应商一直通过一个简单的数字来说明其处理器的功耗：热设计功耗或TDP。不幸的是，随着芯片设计的发展，这个数字经历了各种定义。
　　英特尔目前的定义是：
　　＂在基本频率和最大结温下执行英特尔指定的高复杂性工作负载时，处理器在制造过程中被验证为不超过的时间平均功耗＂
　　换句话说，如果您的英特尔 CPU 的基本频率为 3.4 GHz，最高温度为 95 °C ，则只要芯片在这些限制下工作，其额定功率将等于 TDP。
　　因此，让我们来看看过去17年中CPU的一些例子。在此期间，我们采用了每年发布的最耗电的台式机型号，而忽略了针对工作站等的型号。
　　除了一些孤立的案例，例如2013年的AMD的FX-9590（TDP为220W！），CPU的功率要求似乎非常一致。
　　从表面上看，似乎没有迹象表明他们对功耗越来越贪婪，这显然是一件好事。半导体制造的进步以及最佳的集成电路设计一定是造成这种情况的原因。
　　唯一的问题是市场上几乎每个CPU都可以以远高于其基本频率的速度运行。上面提到的FX-9590的基本频率为4.7 GHz，但可以将时钟速率提高到5.0 GHz。那么接下来会发生什么呢？
　　你可能会认为这是一个简单的答案：它会消耗更多的功率，从主板吸收更多的电流。不幸的是，情况并非总是如此，因为它取决于主板的BIOS中启用了哪些设置。
　　英特尔和AMD都有许多选项，所有这些选项都可以激活或停用（取决于BIOS中是否有执行此操作的选项），这将使CPU管理自己的功率和频率。
　　暂时坚持使用英特尔，用于执行此操作的主要系统称为睿频加速技术。撇开 20 世纪 80 年代风格的名字不谈，它的作用是主动控制 CPU 在给定负载下在一定时间内可以耗散的功率。
　　英特尔的CPU通常有两个这样的功率限制，PL1（又名TDP）和PL2，尽管还有更多...
　　请注意橙色功率曲线如何飙升至明显高于 PL1 的水平，并在一段时间内上升到 PL2。在这里，CPU在其基本频率以上运行，但不一定以最大时钟速率运行。
　　由于英特尔默认禁用 PL3 和 PL4，我们可以将 PL2 作为 CPU 的实际最大功耗 - 它可能只有几秒钟（或者根据 BIOS 设置，它可以永远这样运行），但它仍然是可能的最高瓦数。
　　那么PL2比PL1高多少呢？此值随每个新处理器型号而波动，但让我们仅检查上面TDP图表中过去几年的值。
　　七年前，使用Core i7-8700K等产品，PL1和PL2之间只有30W的差异，但现在它超过了100W - 在某些情况下，功率要求实际上翻了一番。
　　AMD不使用与英特尔相同的标签和定义，但它们的CPU也可能消耗比TDP限制更多的功率。
　　上限以封装功率跟踪 （PPT） 的形式给出，即 CPU 在任何给定负载下可以耗散的最大功率。对于 TDP 为 95W 或更高的所有锐龙台式机处理器，PPT 等于 1.34 x TDP。
　　因此，有一件事现在很清楚：尽管TDP相对静态，但在过去几年中，高端CPU的绝对最大功率要求肯定有所上升。
　　然而，主板供应商通过覆盖英特尔的默认功率限制和时间限制，并在BIOS中设置自己的值，使事情变得更糟。换句话说，一个主板中的CPU可能最大功率为120W，但在另一个主板中则达到200W。
　　但我们应该在这一点上进行评估，因为到目前为止显示的所有数字都是针对高端型号的 - 那些具有最高时钟速度和最多内核数量的型号。
　　幸运的是，中档和预算CPU的变化很小，仅仅是因为它们的内核总是比展示者少得多。
　　在台式机CPU市场的底端，英特尔广受欢迎的酷睿i3-12100F的TDP为58W（PL2为89W），而AMD的Ryzen 3 4100的TDP为65W - 与这些产品线几乎相同。
　　然而，AMD最新的中档锐龙7600X的TDP为105W，比其前身5600X多了40多w。英特尔的酷睿i5-12600K具有高端芯片的TDP：125W。
　　所有这些都表明，功耗明显下降，主要针对高端型号，但并非完全如此。如果你想要一个拥有最多内核数和最高时钟速度的CPU，那么随之而来的是巨大的能源需求。
　　不幸的是，那些想要升级到最新的中档产品的人可能也不得不接受一次显着的能源上涨。
　　饥饿的怪兽：GPU
　　CPU在功率方面相当温和，即使考虑到最近最大限制的提高，台式机中有一个芯片随着每一代新一代而变得更大，更饿。图形处理芯片（GPU）是迄今为止大多数人拥有的最大，最复杂的半导体器件，就晶体管的绝对数量，芯片尺寸和处理能力而言。
　　如今，游戏中的图形保真度水平是17年前不能比的了，但相比之下，所有这些多边形，纹理和像素的功耗使CPU看起来很轻巧。
　　我们在这个图表中做了同样的事情，就像我们对CPU所做的那样 - 每年从顶级供应商那里获取功耗要求最高的消费级显卡。AMD的Ryzen 9 7950X等产品可能达到230W，但高端GPU在近15年前就已经达到了这种功率水平。
　　正如图表所示，几乎没有迹象表明更好的显卡需要更高VZ功率的趋势将会下降，因为两家供应商的趋势显然都没有下降，尽管相关性不是很强。
　　随着英伟达推出GeForce RTX 4090，拥有760亿个晶体管的芯片和450W的TDP，标准已经迈出了一大步。
　　那么GPU供应商真的根本不在乎电源要求吗？
　　上图显示了与以前相同的芯片如何根据封装在每平方毫米芯片中的晶体管数量与显卡的TDP进行对比。
　　芯片密度尺度是相对的，因为近年来密度有了巨大的飞跃——线性尺度将把几乎所有的数据点都打包成一个小区域。
　　我们可以看到，随着GPU在其电路中封装了越来越多的纳米级开关，功率需求稳步上升 - 但不是以恒定的方式（是的，AMD线看起来很直，但请记住对数刻度）。
　　非线性趋势都在增加，但增长速度本身每年都在下降。密度和TDP之间的这种模式取决于供应商发布的新芯片，这些芯片是在改进的工艺节点上制造的。
　　这是半导体代工厂用来制造芯片的制造方法的名称。每个新节点都比其前身具有多种优势：更高的密度、更低的功耗、更好的性能等等。
　　较新的工艺节点是GPU拥有数十亿个晶体管的原因。
　　并非所有这些改进都可以同时应用，但是对于GPU，它允许供应商创建真正巨大的处理器，具有出色的数字运算水平，以满足合理的功率要求。
　　例如，如果 Navi 21 是使用与 R520 相同的节点制造的，则所需的功率将很好地运行到 kW 区域。因此，虽然现在的能耗水平相当高，但它们可能会更糟。
　　新的流程节点和 GPU 设计带来的好处不仅仅是降低功率水平。
　　自 2006 年第一个统一着色器模型问世以来，所有高端 GPU 的每单位功率计算能力都以惊人的速度几乎恒定地增长。
　　如果以上述数字为例，自2006年以来，TDP的平均增长率为102%，而FP32每瓦性能的增长率为惊人的5，700%。
　　虽然FP32处理吞吐量不是显卡的定义质量，但它是游戏和3D图形最重要的功能之一。我们今天只有具有令人难以置信的图形和功能的游戏，因为最好的GPU变得更大，更复杂。
　　但是，尽管图形处理器比以往任何时候都要好，而且它们的功率水平实际上并没有那么糟糕，但它们的能耗水平仍在上升。即使是通常使用30W或更低的超预算GPU，在过去几年中，TDP也出现了显着增加。
　　如果有人希望购买一个可以通过PCI Express插槽消耗所有电流的英伟达显卡，那么整个安培库存实际上需要跳过。GeForce RTX 3050 的 TDP 为 100W，由于插槽的功率限制为 75W，因此需要额外的电源连接器。
　　这些卡，就像他们更大的兄弟一样，具有比以前更多的处理能力，但是对于想要构建超低功耗系统的人来说，当涉及到显卡时，可供选择的选择越来越少。
　　而且似乎没有任何迹象表明电力需求的增长放缓，更不用说下降了。例如，英特尔最近进军显卡市场的Arc系列目前以A770为首。
　　该卡具有214亿个晶体管，16GB的GDDR6和225W的TDP。虽然它针对的是中端市场，但这种电力需求与AMD和英伟达四年前最大的芯片相同。
　　对于中档GeForce和Radeon卡来说，情况要好一些，RTX 3060需要170W，RX 6600 XT需要160W，但所有行业的能源需求都有所增加 - 远远超过CPU。
　　如果不是为了更好的工程设计，需求显然会高得多，但这里真正需要回答的一个重要问题是CPU和GPU是否需要太多的功率来提供它们所提供的东西。
　　多少是太多？
　　关于CPU和GPU电力需求上升的两个最常见的抱怨是电力成本和产生的热量 - 让我们先来看看前者。
　　就每年出货的单位而言，家用游戏机比游戏PC更受欢迎，并且它们包含的功能远不如上面给出的示例。但就电力需求而言，像微软的Xbox Series X这样的东西在活跃的游戏过程中只会消耗153W。
　　即使您考虑一台可能会再增加100W的大型OLED电视，这两种设备加起来实际上也会比单独的GeForce RTX 4090消耗44%的能量。因此，如果电力成本是一个真正的问题，那么游戏机是游戏的一个很好的选择。
　　当然，并不是说您需要使用最新或最强大的PC部件来享受游戏。有许多较旧的或中档组件没有过高的功率需求，这仍然会提供很多性能。
　　二手RX 5700 XT，GeForce RTX 2060ti，甚至GeForce GTX 1080 Ti显卡仍然非常不错，这三款显卡的TDP都为250W或更低。
　　简而言之，仅仅因为电力成本而增加电力是一个问题的论点有点没有实际意义 - 太多取决于当地单位电力的价格，游戏习惯等，无法最终解决这样的争论。
　　但是热量呢？
　　正如本文开头提到的，几乎每焦耳的电能最终都会以热量的形式消散，主要通过对流机制传递到环境中。
　　如果它使用电力，它将散热。
　　从理论上讲，一台产生900W的计算机可以在短短17分钟内将28立方米的空气温度从20°C提高到40°C。这自然而然地假设了热量的完美传递和完美的绝缘，而不会将较热的空气从所讨论的体积中移出。
　　但是，虽然它实际上不会那么快，但实际上，无论传输速率如何，所有这些热量最终仍将转移到PC的周围环境中。
　　冷却风扇，无论数量或性能如何，都不会改变这一点，因为它们只会有助于降低组件的温度。缓解环境热量上升的唯一方法是让加热的空气移动到其他地方，例如通过窗户通风。
　　如果您计划在最强大的CPU和GPU上花费大量资金，那么请准备好它们将大量热能倾倒到您的游戏室中。
　　就像电费一样，这最终也是个人的担忧 - 900W的热量对一个人来说可能是一个慢性问题，但对另一些人来说完全没问题。