6. Как определяется энергоэффективность процессора?

В последнее время при сравнении процессоров пользуются отношением производительности к энергопотреблению, которое получило название энергоэффективностью процессора. Разработчики процессоров предложили оценивать производительность (Р) как произведение тактовой (рабочей) частоты процессора (f) на величину k, определяющую количество инструкций, исполняемых процессором за один так:

P = f • k.

Получается, что увеличить производительность можно, поднимая частоту и/или увеличивая количество инструкций, выполняемых за один такт. Первый подход ведет к увеличению энергопотребления, а второй требует использования определенной микроархитектуры процессора (многоядерной), в которой заложены различные технологии, направленные на повышение количества инструкций, выполняемых процессором за один такт.

Что касается энергопотребления (W), то оно вычисляется как произведение тактовой частоты (f) процессора на квадрат напряжения U, при котором функционирует процессорное ядро, и некоторую величину Cd (динамическая емкость), определяемую микроархитектурой процессора и зависящую от количества транзисторов и их активности во время работы процессора:

W=f*U^2*Cd

Из приведенных формул вытекает следующее соотношение, определяющее энергоэффективность процессора:

P/W=k/(U^2*Cd)

Из формулы следует, что для получения наилучшего показателя разработчикам необходимо работать над оптимизацией микроархитектуры с целью улучшения функциональности исполнительных блоков, при этом не допуская чрезмерного увеличения динамической емкости. Что касается тактовой частоты, то, как показывают приведенные выкладки, на рассматриваемое соотношение она вообще не влияет. Напряжение питания ядра зависит не столько от микроархитектуры, сколько от технологических особенностей изготовления процессора.

Любой совершенный процессор состоит из огромного количества транзисторов, исчисляемого миллионами, необходимого для достижения высокой производительности процессора. Уменьшение размеров транзистора ведет к уменьшению напряжения питания, что в свою очередь снижает энергопотребление, к увеличению скорости работы и плотности размещения транзисторов на кристалле. Поэтому со времени создания первой интегральной микросхемы в 1959 году развитие микроэлектроники идет по направлению уменьшения размеров транзисторов и одновременного увеличения плотности их размещения на кристалле. Для оценки этих параметров была введена специальная характеристика «Норма технологического процесса, производства полупроводниковых кристаллов», измеряемая в нанометрах (нм). В недалеком прошлом (конец 90-х годов) кристаллы процессоров изготавливались по 130-нм нормам, затем по 90-нм, 65-нм нормам, с 2008 года используются 45-нм нормы технологического процессора. Спроектированный в Intel по 45-нм нормам транзистор примерно на 20 % опережает своего 65-нм собрата по скоростным характеристикам и оказывается примерно на 30 % экономичнее с точки зрения затрат энергии на переключение.