Prosessorien tehonkulutus

Elektroniikan vikatiheyskasvaa lämpötilan kasvaessa. Yleisesti katsotaan, että puolijohde kestää hetkellisesti 135 astetta ja tuhoutuu tätä korkeammissa lämpötiloissa. Komponentin pinnalta mitattu lämpötila ei anna todellista tietoa komponentin sisälämpötilasta. Chipillä saattaa olla hot spotteja, joissa lämpötila on hyvinkin korkea, vaikka kotelon lämpötila on aivan siedettävä.

Nykyiset prosessorit on toteutettu CMOS-teknologialla, jonka erityispiirteenä on, että se kuluttaa sähköä melkeimpä ainoastaan logiikkaportin tilan muuttuessa -jokaista tilan muutosta vastaa tietty varaus. Koska jokainen laskentatoimenpide sisältää tietyn määrän tilan muutoksia, on käytetty kokonaisvaraus yhtä suuri, tapahtuipa laskentatoimenpide nopeasti tai hitaasti. Kasvatetaessa kellotaajuutta tilanmuutoksia tapahtuu enemmän aikayksikössä, joten virran kulutus kasvaa. Virta kulkee prosessorissakin Ohmin lakia noudattaen, joten virta lämmittää prosessoria.

Nykyiset prosessorit toimivat synkronisesti. Toisin sanoen sama(t) kellosignaalit johdetaan kaikille prosessorin osille. Paremmin tuntematta prosessorien sisäistä rakennetta voisi kuvitella tehonkulutusta voitavan pienentää jakamalla prosessori pienempiin osiin, joille johdettaisiin kellosignaali vain tarpeen mukaan.

Johtimissa ja transistoreissa kehittyvää lämpöä voidaan pienentää pienentämällä käyttöjännitettä. Tässä tulee raja vastaan siinä, että transistorien toiminta ei ole lineaarista, vaan joudutaan alueelle, jolla transistori ei enää johda.

Lämmön kehitystä voidaan pienentää myös lyhentämällä johtimia ja pienentämällä aktiivisia komponentteja. Tällöin prosessori chipin koko pieneneee ja lämpö kehittyy pienemmällä alueella. Tällöin lämpö on vaikeampi johtaa pois.

Sen lisäksi, että prosessoria koetetaan pitää viileänä sen selkään asennettavilla jäähdytyslaitteilla, pitää prosessorin sisäisessä rakenteessakin olla lämmönkehitys huomioituna. Piiri pitää olla siten rakennettu, että hot spottien kehittämä lämpö saadaan johdettua pois mahdollisimman tehokkaasti. Hot spottien pitää olla jaoteltuna chipin pinnalle järkevästi. komponentin sisällä pitää olla antureita, jotka sammuttavat taia ainakin laskevat piirin toimintataajuutta, mikäli piiri lämpenee sisältä.

Mielikuvan prosessorien lämpötilasta antaa se, että hyvän mustan kahvin lämpötila on kupissa n. 64 astetta. Hehkulamppu kuluttaa n. 60 W. kaikiineen tietokone kuluttaa n. 300 W, eli päivässä 2.4 kWh. Jos sähkön hinta olisi 7 c/kWh, maksaisi tietokoneen päällä pitäminen työpäivän ajalta 16.8 c. Turun yliopistolla on käytössä n. 4000 tietokonetta. Yhdessä ne kuluttavat päivässä n. 9600 kWh, mikä maksaa yhteiskunnalle 672 Euroa.

Esitetyt lukemat on tarkoituksellisesti arvioitu hieman alaspäin. Todellisuudessa kulutus on isompi.

SUOSITUSJos haluat todella tehokkaan tietopläjäyksen prosessorien tehonkulutuksesta, katso verkosta
Esimerkki:Intel CeleronTehonkulutus voidaan arvioida Intelin ilmoittamista arvoista: jännite 1.5V, virta n. 50 A. P = U * I, joten P = 1.5 V * 50 A= 75 W

Käytännön esimerkki
Testattu kone, jossa Intel 2.4 GHz Celeron, 512MB DDR RAM, 80GB kovalevy, korppuasema, polttava CD-asema, 64MB näyttökortti. Tehonkulutus vaihteli käynnistyksen ensimmäisinä minuutteina 80 - 105 W. 17" Nokian monitori otti 100W.
Koneen valvontaohjelma ilmoitti prosessorin lämpötilaksi pitkäaikaisessa käytössä 35-38 C.

Tämän taulukon tehot ovat ilmeisesti ottotehoja täydessä vauhdissa. Käytännön tehontarve on pienempi, koska suuren osan ajasta prosessori velttoilee. Kulutukseen vaikuttaa myös valittu käyttöjärjestelmä. Oikein suunniteltu käyttöjärjestelmä asettaa prosessorin lepotilaan, kun mitään ei tehdä.

Tätä taulukkoa kirjoitettaessa AMD:n prosessorien kulutus on käytännössä korkeampi, kuin Intel'n. Lisäksi AMD:n prosessoreissa on lämpöongelmia. Ne käyvät käytännössä 20-30 astetta kuumempina, eikä niissä ole suojapiirejä, joten tuulettimen hajotessa AMD polttaa emokorttiin reiän. Intel sammuttaa prosessorin. (Käytännössä havaittua)

Väitetään, että uudemmissa AMD:n prosessoreissa on suojapiiri.

Processor Consumption in Watt max. Temp.
AMD Duron 800 MHz 35,4 90°
AMD Duron 900 MHz 42,7 90°
AMD Duron 1,2 GHz 54,7 90°
AMD Athlon 1 GHz 54,3 90°
AMD Athlon 1,2 GHz 66 95°
AMD Athlon 1,4 GHz 72 95°
AMD XP 1800+ 66 90°
AMD XP 2000+ 70 90°
AMD XP 2200+ 67,9 85°
INTEL Celeron 900 MHz 26,7 77°
INTEL Celeron 1,3 GHZ (Tualatin) 33,4 71°
INTEL Pentium II 400MHz 24,3 75°
INTEL Pentium III 500MHz (FCPGA) 13,2 75°
INTEL Pentium III 800MHZ (FCPGA) 20,8 75°
INTEL Pentium III 1GHz (FCPGA) 33,9 69°
INTEL Pentium 4 1,5 GHz (478) 57,9 73°
INTEL Pentium 4 1,8 GHZ (478) 66,1 77°
INTEL Pentium 4 2 GHZ (478) 75,3 76°
INTEL Pentium 4 2 GHZ (Northwood) 52,4 68°
INTEL Pentium 4 2,4GHZ (Northwood) 57,8 70°

Omia mittauksia

Mittaukset suoritettu mahdollisimman epätieteellisesti. Koneen verkkojohtoon on kytketty tehomittari ja seurattu silmäkulmasta virran kulutusta konetta käytettäessä. Valmistajat ja maahantuojat ovat tervetulleita toimittamaan laitteita testeihin. Laitteita ei palauteta. Julkaisen mielelläni myös muiden toimittamia mittaustuloksia, mikäli tietojen yhteydessä kerrotaan mittausmenetelmä.

PC:t

Pentium 133MHz , 16 MB, CDROM, 1.2GB HD, FD, ISA VGA
45 W normaalikäytössä

Pentium III, ASUS P2L97 , 512 MB muistia, CDROM, 2.5GB HD, FD, verkkokortti, PCI VGA
60 W käytössä, 2.5 W sammutettuna.

AMD 2200 +, MSI MS-6712 , 1GB muistia, CDROM, 2x20GB HD, FD, USB1.1 20GB HD, lerppuasema, verkkokortti, AGP VGA NVIDIA Riva TNT2 PRO
Käynnistys 110 W, kirjoittelua 70-90 W, 5.5 W sammutettuna.

HP / Compaq nx9110 kannettava syksyn -04 malli Pentium 4, 40GB HD, FD, 191 MB, DVD-RW. 35 - 45 W käytössä, 3 W sammutettuna

Irrallisia emokortteja mitattu ilman lisäkortteja ja muisteja:

  • AMD 386SX 33MHz ISA-väylä14.8W
  • AMD 386SX 40MHz ISA Optin kivet 20.6W
  • Intel 486SX25 ISA, Optin kivet 19.3W
  • Intel 486DX33 VLB, UMC:n kivet 19.2W

VIA Epian V , DVD. FD, 80GB HD, 512MB RAM tositoimessa 28W, levossa 20 W,

Näytöt

Nokia 449Xi (19 tuumaa CRT)3.1 W lepotilassa, 45 W uutu mustana, 55 W ruutu valkoisena.

SUN CM751U (CRT 19 tuumaa) 3.2 W levossa, 100 W normaalikäytössä, 98 W mustana, 104 valkoisena

Samsung SyncMate 710V (LCD 17 tuumaa) 22 W käytössä, 0 W levossa

Samsung SyncMAte 910n (LCD 19 tuumaa) 24 W käytössä, 0 W levossa

Kirjoittimet

Lexmark Optra E312 , 11.5 W - 500W lepotilassa, 250-550 W tulostettaessa.
Tulostusten välillä laser-kirjoittimen täytyy pitää jälkipolttimensa kuumana koko ajan. Tämän takia polttimeen kytkeytyy lämmitysteho 500 W päälle n. 20 sek välein 5 sekunniksi. Väliajalla tehonkulutus on n. 11.5 W.
Tulostuksen aikana jälkipoltin on päällä käytännössä koko ajan. Mittasin tehonkulutuksen 15 min ajalta sisältäen neljän arkin tulostuksen: 0.015 kWh. Keskimääräinen kulutus on siis n. 60W.

HP LJ 4i Tulostin sammuttaa itsensä oltuaan hetken käyttämättä. Tälläinen tulostin on erinomainen kotiverkossa, jossa tulostus on satunnaista. Kirjoitin käynnistyy itsekseen, kun sitlle tulee tulostustyö. Tähän käynnistymiseen menee hetkinen, mikä ei tietenkään sovi kaikkein hätäisimmille.

Virtalähde Tiger 370W (ISA)9.1W

Muistit
Muistipiirin rakenne vaikutti kulutukseen enemmän kuin muistin määrä .

  • 4x1MB SIM 1.8W
  • 4x2MB SIM 1.8W
  • 2x1MB SIM 1.2W

VGA

  • Renoir Ultra 3.8W
  • Cirrus Logic GD5422, 1MB 1.8W
I/O-kortit
  • GW2760 5.8W
  • TK82C8E3 4.1W
Korppuasema käyttää pyöriessaan n. 1 W

Kovalevyt

  • Fujitsu M2616E 7.5W
  • IBM WDA-L80 4W
  • Seagate ST3850A 3.1W
Verkkokortit
Verkkokorttien kulutus laskettiin pelkälle kortille ilman liikennettä: Korttien toimintaa ei testattu.
  • WD8003E 4.3W
  • WD8216C (BNC,AUI,RJ45) 5.1W
  • WD8216BT (BNC,RJ45) 2.4W
  • WD8416BT (BNC,RJ45) 2.1W
  • 3COM Etherlink III 1.0W

Päätelmiä

  • Tehonkulutus on vaikea mitata tai laskea.
  • Hitaammat prosessorit kuluttavat vähemmän
  • Emokortin piirisarja vaikuttaa kulutukseen
  • Uudemmat järjestelmät kuluttavat vähemmän laskentateho vastaan mitattuna
  • Kovalevyn koolla ei ole vaikutusta kulutukseen
  • Järjestelmä kannattaa optimoida käyttötarkoitustaan vastaavaksi.
Levypalvelimeksi kannattaa valita Wanha 386SX tai 486DX. Muistiksi riittää 8 MB. Näytönohjaimeksi pienimuistinen perus-VGA. Kovalevyksi mieluummin yksi iso, kuin monta pientä. Korppu- ja CD-asema jätetään pois.

Toinen mahdollisuus on esim VIA Epian, jossa pienellä emokortilla on jo kaikki tarpeellinen, paitsi muisti ja kovalevy.

Levypalvelimen käyttöjärjestelmäksi valitaan tietenkin Linux, koska MSWindows lisää kulutusta.
Windowsin huonosta suunnittelusta johtuen se käy jatkuvasti tekemässä 'turhia' levyhakuja, jotka osaltaan kuluttavat tehoa.

Pelikonetta rakennettaessa virrankulutusta ei voi miettiä. Suuret tuulettimet ja jäähdytyslevyt kertovat tavallaan, että energiaa kuluu.


PTMUSTA at UTU.FI