Dissipation de puissance du processeur

La conception de processeurs qui exécutent des tâches de manière efficace, sans surchauffe est une problématique importante de presque tous les fabricants de processeurs à ce jour. Certaines implémentations de CPU utilisent très peu d'énergie ; par exemple, les processeurs dans les téléphones mobiles utilisent souvent juste quelques watts d'électricité[1], alors que certains microcontrôleurs utilisés dans les systèmes embarqués peuvent consommer seulement quelques milliwatts ou même quelques microwatts. En comparaison, les processeurs à usage général pour ordinateurs personnels, tels que les ordinateurs de bureau et ordinateurs portables, dissipent beaucoup plus de puissance en raison de leur plus grande complexité et vitesse. Ces composants peuvent consommer de la puissance de l'ordre de quelques watts à plusieurs centaines de watts. Historiquement, les premiers CPU mis en œuvre avec des tubes à vide consommaient plusieurs kilowatts d'énergie.

Les processeurs pour ordinateurs de bureau utilisent généralement une partie importante de l'énergie consommée par l'ordinateur. Les autres gros consommateurs sont les cartes graphiques, qui contiennent des unités de traitement graphique[2], les cartes mères et les blocs d'alimentation. Dans les ordinateurs portables, le rétroéclairage de l'écran LCD utilise également une partie importante de la puissance totale. Même si des fonctions d'économie d'énergie ont été mis en place dans les ordinateurs personnels lorsqu'ils sont en veille, la consommation globale des CPU haute performance d'aujourd'hui est considérable. Ceci est en fort contraste avec la très faible consommation d'énergie des processeurs conçus pour des appareils de faible puissance. Par exemple, l'Intel XScale, peut fonctionner à 600 MHz en consommant moins de 1 W de puissance, alors que les processeurs pour PC Intel x86 dans la même catégorie de performance utilisent plusieurs fois plus d'énergie.

Il y a des causes techniques à cette différence :

• Pour un composant donné, opérer à des fréquences plus élevé demande plus de puissance. Réduire la fréquence et/ou le voltage réduit en général la consommation énergétique[3].
• De nouvelles fonctionnalités nécessitent plus de transistors, chacun utilisant de l'énergie. Éteindre des zones inutilisées économise de l'énergie, par exemple en appliquant un clock gating.
• Quand un modèle de processeur est perfectionné, de plus petits transistors, des structures à plus faible voltage et de l’expérience dans la conception peuvent réduire la consommation.

Les constructeurs de CPU publient en général deux valeurs concernant la consommation du CPU :

• La puissance thermique typique, qui est mesurée sous une charge de travail normale (par exemple, la puissance moyenne du CPU de AMD).
• La puissance thermique maximale, qui est mesurée sous la charge de travail la plus importante possible.

La fréquence d'horloge est le nombre de cycles effectués en une seconde par un processeur.