Данная статья написана по данным тестирований как справочный материал для оценки изменения тепловыделения узлов компьютера при выполнении оценки его тепловыделения и расчета систем охлаждения. Но в процессе ее написания выявились и определенные особенности некоторых процессоров которые интересны сами по себе. Не смотря на то что в использованных статьях приводятся данные о тестировании и разгоне (как например о разгоне процессоров), здесь использовались только данные относящиеся к номинальном (без разгона) режиме их работы.

Прежде всего, что такое «загрузка процессора»?

Это величина относительная (%) —

и показывает на сколько скорость вычислений процессора отличается от заданной, как максимальной, его производителем. Измеряется во флопс (FLOPS - http://ru.wikipedia.org/wiki/FLOPS ). Обычно менее 100%, но при определенных ситуациях может быть больше (например при разгоне). В этих случаях необходимо применять специальные меры по дополнительному охлаждению. Косвенным признаком является степени загрузки процессора является его тепловыделение. При паспортном тепловыделении (TDP) производительность или загрузку процессора можно считать равной 100%.

 

Аналогично обстоят дела и для других узлов компьютера.

 

На загрузку узлов компьютера влияет множество факторов.

Разные программы загружают узлы компьютера по разному. Например наибольшую загрузку обычно создают, (не смотря на наличие высокопроизводительных видеокарт и высокоскоростных шин передачи данных) программы для обработки изображений высокого разрешения в видео и играх, и моделирования 3d объектов. Если говорить о прикладных программах (программы обсчитывающие большие массивы данных — моделирующие физические процессы: атмосферные явления, теплотехнические процессы, ...), то они как программы обрабатывающие большие массивы информации обычно пишутся так чтобы обеспечить максимальную скорость вычислений, а поэтому и загружающих ресурсы компьютера до максимально допустимых значений.

Большинство применяемых программ создают загрузку узлов компьютера много меньше 100%. Это офисные программы, простые игры, ...

Правда последнее время наблюдается увеличение нагрузки на узлы компьютера самими операционными системами. Причем в этой гонке не отстают программисты всего семейства (клонов) Linux. Не отстают и разработчики ПО. В связи с ростом производительности аппаратного обеспечения существует тенденция наделения ОС и ПО улучшенным оформлением и расширением их функциональности, а это увеличивает вычислительную нагрузку, потребляемую им мощность и соответственно тепловыделение. Это такие встроенные функции как: анимация, тени, проверка орфографии, другие модули обеспечивающие функционирование ОС и ПО в фоновом режиме. В том числе и интерфейс "Аэро" впервые применяемый в Vista.

В том числе, на загрузку узлов компьютера (например винчестера) влияет и его (компьютера) конфигурация (объем оперативной памяти), применяемые узлы (скорость передачи информации по каналам связи между узлами (шинам), быстродействие памяти).

Хорошо известно, что узлы компьютера не постоянно работают при максимальных нагрузках.

Рассмотрим, как зависит от загрузки тепловыделение таких, хорошо Вам известных узлов, как: процессор, видео карта, жесткие диски.

При этом мы должны помнить:

• Для чипов, ЦП и видеокарт практически 100% потребляемой мощности переходит в тепло.

• Для HDD, CD - DVD, учитывая что энергия затраченная на работу механических узлов затрачивается для преодоления трения, а значит тоже переходит в тепло, можно считать что тепловыделение приближается к потребляемой мощности.

• Для простоты расчетов остальные узлы ПК предполагаем, что тепловыделение приближается к потребляемой мощности.

 

Процессор

 

Развитие процессоров это борьба за производительность, она идет не только за счет роста числа транзисторов в чипе, а и в направлении оптимизации их структуры и системы команд. Поэтому процессоры с разной архитектурой и внутренней структурой имеют разную реакцию на увеличение загрузки.

Процессор это центральный узел компьютера, производящий вычисления и управляющий потоками информации поэтому он наиболее чутко реагирует на вычислительные нагрузки, что проявляется в выделяемой им тепловой мощности.

 

В таблице 1 рассмотрены данные приведенные в (С.1), но мы рассмотрим их с нашей точки зрения. В ней выполнена оценка прироста потребляемой мощности, а значит и тепловыделения при исполнении тестовых программ:

1. Состояние покоя, тестовая система при отсутствии дополнительной нагрузки (Реально работают программы обслуживающие операционную систему в фоновом режиме). Включены энергосберегающие технологии, энергопотребление процессора минимально.

2. Работа в графическом редакторе. Графический редактор Adobe Photoshop CS4 выполнял заскриптованный процесс ретуширования нескольких 10-мегапиксельных фотографий.

3. Перекодирование HD MPEG2 (два прохода) видео-ролика в разрешении 1280х720 с битрейтом 4Мбит/с в формат H.264 при использовании кодека x264.

4. Autodesk 3ds max 2010 выполнял финальный рендеринг 3D-модели в разрешении 1920х1080.

5. Трёхмерный шутер Far Cry 2. Игровая нагрузка, для создания которой в течение пяти минут играли в эту игру. Игра запускалась в разрешении 1920x1200 с 4xAA при максимальных настройках качества.

6. Максимальной процессорной нагрузки. В данном состоянии все процессорные ядра загружаются работой по максимуму, для чего используется пакет Linpack 64-bit в оболочке LinX 0.6.4.

7. Максимальной нагрузки на систему целиком. В паре с утилитой LinX 0.6.4, генерирующей максимальную процессорную загрузку, запускается тест Furmark 1.8.0, один из режимов которого предназначается для стресс-тестирования графической подсистемы.

 

Прирост потребляемой мощности (тепловыделения) по сравнению с режимом ожидания (%) по данным теста (С.1).

По результатам тестов можно сказать прирост потребляемой мощности по некоторым процессорам существенно превышает среднее значение по каждому тесту. Обратите внимание на процессор Intel Core i7 860 для которого характерно такое превышение во всех тестах. Причем превышение TDP наблюдается на всех тестах. Поэтому его можно оценить как неудачное решение для 45 нм техпроцесса.

У AMD в данном тесте тоже имеется такой процессор, у которого потребляемая мощность превышает паспортное значение TDP. Правда только при игровой и более высоких нагрузках (см. ст. 9, табл.1). Это Phenom II x4 965.

Превышение TDP в тесте (С.1).

После выборки и перевода формата данных, усредненные приросты мощности потребления по процессорам AMD и Intel получены результаты прироста мощности на разных приложениях, которые сведены в таблицу 1:

 

Процессор/Приложение	В сост. покоя/TDP	Photo Shop CS4/ сост покоя	Перекодировка видео h.264/ /сост покоя	3ds max/ сост покоя	Игры Far Cry 2/ сост покоя	LinX/ сост покоя	LinX&Furmark/ сост покоя	Absolut Max/ сост покоя
	1	2	3	4	5	6	7	8
Intel	-0,38	1,05	1,18	1,17	1,94	1,48	2,47	3,51
AMD	-0,31	1,13	1,26	1,24	2,14	1,54	2,78	3,48

Таблица 1, Прирост P (раз).

 

Из таблицы 1 напрашиваются выводы:

Производители ориентируют свои процессоры на бытовое, офисное и общетехническое применение.

При использовании процессоров в приложениях ..... (столбец 5, 6, 7, 8) для их нормальной работы, в связи с тепловыделением значительно превышающем TDP, необходимо применение для них хорошего охлаждения.

При использовании рассмотренных процессоров в прикладных вычислениях (столбцы 7 8), когда вычислительные нагрузки приближаются к  TDP, должны приниматься меры по ограничению производительности (и соответственно потребляемой мощности и тепловыделения).

 

Видео карта

 

В давние времена, когда графические мониторы только появились, они использовали центральный процессор для обработки информации выводимой на монитор. Со временем пришли специализированные видеокарты содержащие графический процессор и память, это существенно разгружало центральный процессор от не свойственных для него задач. Первое время так и было.

Не смотря на это, сейчас как мы видим из тестов центрального процессора и ниже приведенных данных по измерению потребляемой мощности видеокарт, в приложениях обрабатывающих графику наблюдается существенный прирост потребляемой мощности (тепловыделения) CPU и GPU. Это говорит о том что аппетиты программистов настолько велики, что они продолжают использовать CPU для обработки графической информации.

Но есть и обратные тенденции, появилось ПО (пока прикладное) использующего свободные ресурсы GPU, дополнительно к CPU, для проведения вычисления с массивами данных.

Ниже приведены результаты тестов (С.2) обработанные для оценки прироста потребляемой мощности - тепловыделения (раз) по отношению к режиму покоя.

 

Таблица 2.

 

Режим простоя означает, что видеокарта обеспечивает работу графического устройства вывода информации (монитора) в дежурном режиме (обновление экрана). Это соизмеримо или чуть меньше работы в офисе, при отключенных «улучшениях» (рельеф, тени, анимация, помошник).

Из таблицы 2 видим, что прирост мощности потребления, а соответственно и тепловыделения по сравнению с режимом «покоя». Средние значения могут помочь для оценки его величины , если нет данных по конкретной модели.

 

HDD

 

Опираясь на данные теста (С.3) подготовлена таблица 3 и таблица 4 для HDD класса Enterpris.

Прирост мощности потребления 3,5 дюймовых HDD в различных режимах (усредненных для всех рассмотренных (С.3) типов HDD):

 

Режим	Только вращение	В активном случайном поиске	В режиме тихого поиска	Чтение	Запись	В режиме пуска
	Idle/ паспорт	Seek/ Idle	Quiet Seek/ Idle	Read/ Idle	Write/ Idle	Start/ Idle
Превышение, раз	0,94	1,6	1,4	1,3	1,29	2,85

Таблица 3.

 

Здесь следует отметить повышенный прирост потребляемой мощности HDD в режиме Seek (активный случайный поиск) Hitachi Deskstar в 1,87 раз и Maxtor в 1,67 раз, тогда как другие участники теста 1,42 — 1,56 раз.

Прирост мощности потребления дюймовых HDD класса Enterpris (С.4) в различных режимах (усредненных для всех типов HDD).

 

Диск	В режиме ожидания	ATA интерфейс связи с хост-контроллером (ATA или SCSI Bus Transfer)	Чтение	Чтение	Запись	В режиме пуска
	Idle	ATA	Seek	Read	Write	Start
15000 об/мин (прирост, раз.)	1	1,16	1,55	1,32	1,32	2,28
10000 об/мин (прирост, раз.)	1	1,24	1,68	1,36	1,33	2,70
7200 об/мин (прирост, раз.)	1	1,08	1,54	1,29	1,32	2,89

Таблица 4.

 

Из приведенных выше таблиц 3 и 4 видим, что прирост тепловыделения (в режиме активного случайного поиска) испытывает некоторые колебания и превышает потребление (тепловыделение) в режиме покоя примерно в 1,5 раза. Это примерно соответствует работе HDD в режиме дефрагментации. Следует учитывать, что в режиме покоя тепловыделение составляет около 0,9 от паспортного значения.

Для компьютеров или системы хранения информации имеющих на борту массивы HDD при выборе источника питания следует учитывать, что потребляемая мощность (и тепловыделение) при старте, в 2 — 3 раза превышают номинальные.

 

Заключение

 

Так как же разные приложения загружают ресурсы компьютера?

Надо сразу оговориться, загрузка процессора существенно зависит от настроек операционной системы и программного обеспечения. Но примерно ее можно оценить так:

 

Программы	Коэффициент загрузки
Офис	0,5 — 0,8
Графические пакеты	0,99 — 1,3
Обработка видео	1 — 1,4
3d моделирование	1 — 1,4
3d игры в динамике	1,5 — 2,6
Прикладные вычисления	1,3 — 4

Таблица 5.

 

В других применениях программы с коэффициентом загрузки более 2х, это:

• сервера,

• ПО применяемое для кино (видео) производства, обработки и моделирования,

• CAD'ы (САПР'ы различных направлений где выполняются разработки и 3d моделирования узлов и деталей,.

Опираясь на приведенные выше данные можно рекомендовать сборщикам компьютеров:

- обратить особое внимание на корпуса используемые при сборке и их вентиляцию. Снижение температуры воздуха в корпусе пропорционально снижает температуру рассматриваемых узлов, а значит увеличивают отводимую мощность,

- уделить должное внимание применяемым кулерам систем охлаждения узлов компьютера используемых на тяжелых приложениях.

 

Кроме перечисленных здесь узлов, следует также обратить внимание на тепловыделение чипсетов, инверторов систем питания процессоров, памяти и чипсетов. Прирост их потребляемой мощности (тепловыделения) полностью определяется рассмотренными здесь узлами и их режимами работы.

И немногие программы сейчас, не требуют специальных решений по охлаждению и питанию, а соответственно специальных расчетов и доработок корпусов ПК.

Они могут работать в типовых корпусах среднего уровня с применением стандартных кулеров (охладителей).

 

Ссылки

1. Энергопотребление разогнанных процессоров (Процессоры: предварительная оценка энергопотребления), http://www.fcenter.ru/forprint.shtml?online/articles/hardware/processors/28317

2. Диета НЖМД: энергопотребление и тепловыделение, http://www.ixbt.com/storage/hddpower.shtml

3. Диета НЖМД: энергопотребление и тепловыделение 2, http://www.ixbt.com/storage/hddpower-pro.shtml

 

<<назад>> <<в начало>> <<на главную>>