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TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

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发表于 2015-08-26 18:21:09
电梯直达 确定
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TDP功耗与处理功耗的关系

       TDP功耗是处理器的基本物理指标。它的含义是当处理器达到负荷最大的时候,释放出的热量,单位同样以W计量。TDP也并非恒定不变,但是单颗处理器的 TDP值是固定的。而散热器必须保证在在处理器TDP最大的时候,处理器的温度仍然在设计范围内。但是,无论是在平面媒体或是在网络媒体的评测或是介绍中,TDP都与处理器功耗混为一谈。

    TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       很多人都认为i7 6700K(TDP 95W)比i7 4790K(TDP 88W)功耗大,这种认识是错误的。只能说i7 6700K发热量比i7 4790K要高一些。

       那么处理器功耗与TDP有什么联系呢?在处理器的功耗分为两部分:实际消耗的功耗和产生的热功耗。前者是处理器各个功能单元正常工作消耗的电能,后者是电流热效应以及其他形式产生的热能,他们均以热的形式释放。这类热量很大,单靠处理器自身是无法完全排除的,因此这部分热能需要借助外界的手段吸收,硅晶元才不会因温度过高而损毁。

       两者的关系可以用这个公式概括:处理器的功耗=实际消耗功耗+TDP。从这个等式我们可以得出这样的结论:TDP并不就是处理器的功耗,TDP要小于处理器的功耗。虽然都是处理器的基本物理指标,但处理器功耗与TDP对应的硬件完全不同:与处理器功耗直接相关的是主板,主板的处理器供电模块必须具备足够的 电流输出能力才能保证处理器稳定工作;TDP需要借助主动散热器进行吸收,散热器若设计无法达到处理器的要求,那么灾难就会发生。

       在同样的主频下,TDP值越小,处理器的品质越好。


TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

英特尔为CPU提供了TDP规格参数

  但是在很早之前,英特尔为CPU制定规格参数时,并没有提供功耗规格,而是用了TDP这一参数,比如说Core 2 Quad Q9650的TDP为95W,由于单位上的相同,无数的人将TDP与功耗混为一谈。

那么到底什么是TDP呢?英特尔的解释应该更权威更准确:

TDP: Thermal Design Power,A power dissipation target bbsed on worst-case applications. Thermal solutions should be designed to dissipate the thermal design power.

  把英特尔的原话翻译过来就是:TDP(Thermal Design Power,热功耗设计)指基于CPU在最糟糕应用状况下规定的功耗指标,要求散热解决方案设计成可以将这个指标的功耗驱散掉。

  这个解释的核心在于TDP是一个规定的指标,供散热方案参考,并非指CPU实际的功耗值。

那么TDP和功耗到底有什么关系呢?答案是没有关系。很多测试表明,CPU的最大真实功耗是明显小于TDP值的,但是在加压超频后最大功耗超过TDP值就很有可能。

       认清TDP功耗与处理器功耗是很必要的,要不然就会闹出不必要的笑话,刚开始我也认为TDP(热功耗)等同于P(功耗),特地去百度了一下。然后才发现,原来是酱紫——找到一篇比较有代表性的文章,供大家一起探讨:


TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       这篇文章主要针对DIY发烧友,因为纵观十年间电脑硬件媒体很少有人仔细关注过Intel对各平台的散热规范和设计指导,平日玩机、超频中也许存在不少争议性的内容在这里都可以找到答案。

       Intel在LGA1155平台上的一共有Core i7/i5/i3,而且还有Pentium系列,这些CPU的热设计功耗(TDP)有95瓦、65瓦、45瓦、35瓦,四种。

TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       Intel比AMD更早的在核心外加了金属导热罩,准确的名字叫Integrated Heat Spreader,有两个作用:加强散热和保护核心(DIE)。

       核心集中在导热罩的中心区域,这里也是温度最高的。

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       TDP(热设计功耗),是DIY玩家熟悉的参数,在网上也有很多争论,这里Inte给出了明确的解释:TDP并不是处理器的最高功耗,而是一个给散热器做参考设计的参数。

       那么什么时候处理器会超过TDP功耗呢?超频时,或者不超频时VID设定高于默认值,还有最后一种情况就是Turbo Boost时,处理器功耗会短暂的超过TDP。

(Intel对TDP的官方解释:

       TDP: Thermal Design Power,A power dissipation target bbsed on worst-case applications. Thermal solutions should be designed to dissipate the thermal design power.

       中文:热设计功耗是指在最糟糕、最坏情况下的功耗。散热解决方案的设计必须满足这种热设计功耗。

       TDP的英文全称是“Thermal Design Power”,中文翻译为“热设计功耗”,又译散热设计功率。TDP的含义是“当处理器达到最大负荷的时候,所释放出的热量”单位为瓦(W),是反应一颗处理器热量释放的指标,应用上,TDP是反映处理器热量释放的指标,是电脑的冷却系统必须有能力驱散的最大热量限度。)

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       CPU的顶盖其实很薄,但为了起到保护功能,Intel对其提出了要求,静态压力对应实际应用可以理解为安装散热器后扣具造成的净压力。动态压力是一种冲击的力量,我们安装散热器时也会有一些磕碰,所以要能抵抗住才行。此外各种方向的切力,扭曲的力偶也是有要求的。

       为了满足各种要求,CPU顶盖采用铜,镀镍后防止氧化对散热性能的损失。

       Intel为了防止散热器厂商误读这些参数,专门说明,这些力参数不是要求散热器扣具达到这样的压力,而是不能超过这些压力。

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       节能状态在Core Duo就出现了更多种,Intel专门列出了5个系列的CPU在满载、C6/C3/C1E时的功耗。

       C6状态是CPU在休眠时的情况,可以看到不论TDP是95还是35,基本都是5瓦左右,而系统在桌面下待机,CPU功耗都28-18瓦之间。

 TDP功耗并不是芯片的真正功耗。功耗(功率)是芯片的重要物理参数,根据电路的基本原理,功率(P)=电流(A)×电压(V)。所以,CPU的功耗(功率)等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。

  比如说CPU某一时刻的核心电压是1.0V,电流为80A,那么这一时刻它的功耗也近似等于80W,由于CPU的工作电压和电压都是不断变化的,其功耗也随之改变,一般用最大值来对它们的功耗作定量描述。

TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       这张图是四种TDP功耗的CPU温度限制曲线,曲线的纵轴是温度值,横轴是功耗值,95瓦和65瓦的CPU散热测试是从环境温度为45℃开始的,这个环境温度模拟了机箱内的情况,还是比较严格的,在CPU功耗达到TDP时最高的温度控制在69℃-74℃。

       45瓦和35瓦TDP的处理器因为发热小,所以测试起始的环境温度更高一些,48℃,在达到TDP功耗时只要温度控制在70℃(65℃)之内就可以。

       可能是为了方便,Intel把温度和功耗的关系设置成一条正比例线,比例系数越大,对散热器的要求越低。比例系数越低实际上代表散热器把温度上升的幅度尽量压低,如果我们IT硬件媒体有条件,其实可以测测不同的散热器在不同温度下的功耗,也画出这条曲线,斜率越小散热性能越强。

TDP是指芯片电流热效应以及其他形式产生的热能,他们均以热的形式释放。换句话说,芯片的功耗很大程度上是对电路板提出的要求,要求电路板能够提供相应的电压和电流;而TDP是对散热系统提出要求,要求散热系统能够把芯片发出的热量散掉,也就是说TDP功耗是要求芯片的散热系统必须能够驱散的最大总热量。

       TDP是CPU电流热效应以及CPU工作时产生的其他热量,TDP功耗通常作为电脑(台式)主板设计、笔记本电脑散热系统设计、大型电脑散热设计等散热/降耗设计的重要参考指标,TDP越大,表明CPU在工作时会产生的热量越大,对于散热系统来说,就需要将TDP作为散热能力设计的最低指标/基本指标。就是,起码要能将TDP数值表示的热量散出。例如,一个笔记型电脑的CPU散热系统可能被设计为20W TDP,这代表了它可以消散20W的热量(可能是通过主动式散热手段如使用风扇,或是被动式散热手段如热管散热)而不超出晶片的最大结温。

       TDP一旦确定,就确保了电脑在不超出热维护的情况下有能力运行程序,而不需要安装一个“强悍”,同时多花费添置没有什么额外效果的散热系统。

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       Intel自从Core Duo那一代CPU就在处理器内部设置了DTS(数字温度传感器),他由一个测温二极管和一个模拟-数字的转换器组成,然后把数值记录在一个8位的寄存器中,这样外围监控设备可以读取这个寄存器中的值,从而实现对温度的控制和风扇的控制,在LGA1155的热设计指导中并没有详细描述寄存器的格式和读取规则,不过在LGA2011热设计规范中倒是花了大篇幅说明。

       DTS的值可以理解为距离保护温度的差,所以之前所说的TDP就是在DTS=-1时测量的功耗值,也就是说温度离最高温度只差1℃之时的功耗。

       这个最高温度是什么呢?就是上图右侧红框的Tjmax,我用自己的LGA1366处理器截图是100℃,不过LGA1155的应该是99℃或者98℃。

       处理器的温度测量点是在每个核心的中央,如果你有四个核心,那么Intel会在每个核心中都设置DTS。他们都不能超过Tjmax。

       如果超过了呢?下面两张图就是解释超过后的处理过程。

TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       在默认频率下使用原装散热器测试,除非你的机箱完全封闭没有办法散热,否则CPU不会不堪重负到过温保护的地步。当你超频时就有可能会触发过温保护,在Everest的稳定性测试中也可能会出现,这时图中红框的Throttling就不是零了,在Throttling变成100%时处理器的电压和频率都会降得很低,性能自然爆降,但这是以保护CPU为前提的,起码你不会立刻死机。

       当然有时你也会发现Throttling的值是0%-100%之间的值,比如55%之类的,那种状态下电压和频率都没有降到最低。

       下一张图我们详细看温度保护的信号时序图,这样您就明白中间值的含义了。

(从P4诞生,Intel就在处理器中加入了过热保护机制,以防止在散热器无法有效发挥作用的前提下保证处理器的安全。Intel保护处理器的通常办法是在温度达到或超过设计温度的时候降低处理器的工作主频。

热量监视(Thermal Monitor)

热量监视功能是随P4一起诞生的,只要采用NetBurst架构的处理器,不管其核心是Willamatte,Northwood或是Prescott, 都会具备TM功能。它的主要功能是监视处理器的温度,TM保护处理器是通过处理器内部的热量控制电路(Thermal Control Circuit)来实现的。TCC内建在CPU内部,所以TM不需要软件或是用户设置。一旦CPU出厂,TM的设置便不能由第三方进行修改。所以TM是非常底层的硬件保护机制。)

TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

激活过程

       1、当DTS=-1时,处理器过热信号(PROCHOT)为低,处理器时钟终止,倍频降1,再重新启动时钟,整个过程在2微秒之内完成,新的频率下CPU分配一个能保持正常工作的最低电压给CPU,然后再判断DTS是否等于-1。

       2、1毫秒后如果DTS仍然等于-1则继续降低倍频,然后配给CPU一个在此倍频下可以正常工作的最低电压。

       3、重复第2个过程,直到DTS不等于-1,然后继续判断,慢慢提高倍频,并慢慢提升与之相配的最低电压,直到电压和倍频恢复正常。

       这就是过温保护与恢复过程中频率和VID的调整过程。

       如果倍频已经降到最低,DTS仍然等于-1的话,持续时间超过32毫秒后,Intel的CPU会启动另一种措施:频率调制(Clock Modulation),这是通过缩减CPU每个时钟周期占空比来实现的,这个措施可以立刻把功耗降低30%-50%,而且这个过程是允许软件来设置的。而第一种通过降低倍频和VID的保护方式是软件无法设置的。

TDP与其他电气指标的关系

TDP作为处理器的基本参数,它的值取决于主要取决于最大核心电流:Icc Max,而TDP直接导致的结果就是处理器的Tc(case Temperature,直译为容器温度)。处理器的核心电流越大,释放出的热量越大,TDP值越高,Tc也越高。具体的指标可以从 Intel的文档中得到,我们列举了以下几款:

630 3.0GHz 0 78A 84W 66.6℃

P4 570 3.8GHz 1 119A 115W 70.8℃

上表列出了最新LGA P4处理器的相关数据。有一点说明,表中的数据是这款处理器的最大值。个别处理器的数值会低于表中的数据。通过这张表我们可以发现:并不是处理器频率越高,它的各项功耗指标就越高。为了保证主板对处理器的兼容性,Intel对不同处理器的功耗指标进行了严格的控制,一款处理器的最大核心电流,最大TDP 以及最高Tc值之间也存在着关联。

TDP不是最大功耗!Intel散热技术细节

       CPU插座旁边都有一个4PIN的风扇接头,采用4PIN接头的风扇是支持脉宽调制方式调整转速的,在LGA1155平台机械和热设计指导书中有部分关于4PIN风扇的内容,不过更多内容是在一份Intel关于4PIN脉宽调制风扇中说明的,那里有更详细的风扇转速算法的设计,这篇文章中就不具体介绍了。

       从上面的表格看,Intel的热设计指导的目标是在温度可以控制在DTS=-1之内尽量降低风扇转速,降低噪音。

       所以在离最高温度较远时风扇占空比信号也较低,只有20%,在马上要激活过温保护时,风扇占空比信号已经达到了100%。

       Intel在原装风扇的转速设计上给了很宽的调整尺度,从1000转每分钟到3150转每分钟。

关于风扇脉宽调制的规律我也曾经实际测试过,感兴趣的网友可以参考这篇文章,http://tu.pcpop.com/pic-699068.htm#1。

       最后也希望这篇文章可以给您提供一些关于散热方面更细节的知识。

“TDP”热功耗的含义是当处理器在满负荷的情况下,将会释放出多少的热量,也就是说是处理器的电流热效应以及其他形式产生的热能,并以瓦作为单位。例如英特尔奔腾E 2140处理器标注的TDP功率为65W,也就是说当其在满负荷运行的情况下,所产生的热量为65W。处理器的TDP功耗并不代表处理器的真正功耗,更没有算术关系。“TDP”功耗的多少最主要的作用是提供给散热片和风扇等散热器制造厂商,以便其设计散热器时所使用的。


后记:

       从TDP是得不出CPU的实际功耗的,用计算机内部各个部件的TDP值相加得出整个系统的功耗,逻辑上似乎没有任何问题,事实上这项“创举”已经变成业界的笑谈。

       CPU的实际功耗应该等于=实际输入CPU的电流(A)× CPU的实际电压(V),它是供电电压和电流的乘积。最好的办法是用精密的功率工具去测试。

       TDP功耗可以大致反映出CPU的发热情况,实际上,制约CPU发展的一个重要问题就是散热问题。温度可以说是CPU的杀手,显然发热量低的CPU设计有望达到更高的工作频率,并且在整套计算机系统的设计、电池使用时间乃至环保方面都是大有裨益。


TDP与P的区别

TDP中文翻译为“热设计功耗”,是反应一颗处理器(CPU或GPU)热量释放的指标,它的含义是当处理器达到负荷最大的时候,释放出的热量,单位为瓦(W)。CPU或GPU的热功耗(TDP)并不是CPU或GPU的真正功耗(P)。功耗(功率)是CPU或GPU的重要物理参数,根据电路的基本原理,功率(P)=电流(I)×电压(U)。CPU或GPU的功耗(功率)等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。而TDP是指CPU或GPU电流热效应以及其他形式产生的热能,他们均以热的形式释放。显然CPU或GPU的热功耗(TDP)远远小于实际功耗(P)换句话说,CPU或GPU的功耗(P)是对主板显卡提出的要求,要求主板或显卡能够提供相应的电压和电流;而TDP是对散热系统提出要求,要求散热系统能够把CPU或GPU发出的热量散发掉,也就是说TDP功耗是要求CPU或GPU的散热系统必须能够驱散的最大总热量。

两者的公式是不同的。

功耗P=UI

热功耗TDP=Tj-Ta=Pc(RTj+RTc+RTf)=Pc RTz

式中:

Tj为热源温度,芯片晶体管结温

Ta为环境温度

Pc为热源功率,芯片晶体管热功耗

RTj为芯片晶体管到外壳的热阻

RTc芯片外壳与散热器的接触热阻

RTf散热器热阻

RTz总热阻


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发表于 2015-08-26 20:26:38 1楼
我去 写的太深入了!

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发表于 2015-08-26 20:27:04 2楼
一直也没深入了解TDP的具体意思! 感谢科普!

评分:+Z金豆 5  已有 1人参与评分

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oz6n2p

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发表于 2015-08-26 20:32:55 3楼

玩名堂

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发表于 2015-08-26 20:35:56 4楼

D调沉默 发表于 2015-08-26 20:27:04

一直也没深入了解TDP的具体意思! 感谢科普!

感谢好友支持!共同学习~~

ggwy

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发表于 2015-08-26 23:13:22 5楼

这个TDP其实是已经说烂了的话题,但是依旧有N多人不明其中就理,特别是喜欢喷AMD的的人~

评分:+Z金豆 5  已有 1人参与评分

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zqtztbz181

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发表于 2015-08-28 16:13:21 6楼

谢谢楼主!

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发表于 2015-09-02 10:33:20 7楼

请点关注我吧! 支持一下我的新帖! 谢谢!

spxsjj

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发表于 2016-02-24 23:37:36 8楼
我的CPU冬天鲁大师报36℃算正常吗?

玩名堂

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发表于 2016-02-25 11:24:04 9楼

spxsjj 发表于 2016-02-24 23:37:36

我的CPU冬天鲁大师报36℃算正常吗?

冬天机箱又不是放到室外,室内温度很正常

霄霄520

霄霄520


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发表于 2016-02-25 17:46:39 10楼
太长了,没看完。

萝莉安娜

萝莉安娜


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发表于 2016-03-01 19:53:54 11楼

3D晶体管内热出不来。

qvvq

qvvq


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发表于 2017-09-08 21:07:34 12楼

了解了一些TDP的意思, 感谢分享!

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