处理器的TDP

2022-11-23 11:15
相信有不少老玩家已经知道处理器的TDP并不等于它的实际功耗,但还是有不少人会把TDP当作CPU的功耗,就比如说Core i9-11900K的TDP是125W,所以它的功耗就是125W,这明显是错的,但也不完全错,所以今天我们就来聊聊CPU的TDP和功耗这事。
1 - AlderLake_30.jpg
什么是TDP
关于TDP的定义,它全称是Thermal Design Power热设计功耗,维基百科上的解释是指处理器在运行实际应用程序时,可产生的最大热量,单位是瓦特,TDP主要用于和处理器相匹配时,散热器能够有效地冷却处理器的依据。而Intel Ark上对TDP的解释略有不同,原文是“热设计功耗 (TDP) 以瓦特为单位,表示所有活动内核在Intel定义的高复杂性工作负载下,以基本频率运行时消耗的平均功率。”
可见无论哪个解释TDP都和处理器的功耗没直接关系,并非指CPU实际的功耗值, 它的其实是给散热器厂商和系统设备制造商的一个重要参考指标,是台式机、笔记本电脑、服务器等设备散热系统设计的重要参考指标。TDP越大,表明CPU在工作时会产生的单位时间热量越大。对于散热系统来说,需要将TDP作为散热能力设计的最低标准,也就是散热系统至少要能散出TDP数值所表示的单位时间热量。
第37期的超能课堂中我们已经说过,CPU的电能几乎都消耗在线路上了,其它还有少量的辐射能和内部储存的化学能可以忽略不计,也就是说CPU所消耗的电能几乎都转换成热能了,而Intel定义的TDP则是处理器在运行实际应用时可产生的最大热量,那么从这个角度来看TDP又是否等于处理器的实际功耗呢?
CPU最大功耗和TDP渐走渐远
这个问题嘛,要分两个时间段来解释。对于Intel处理器来说在Turbo Boost 2.0来之前TDP是比较接近处理器的最大功耗的,而在Turbo Boost 2.0到来之后TDP对于普通用户来说参考意义已经不大了。
在最早的时候,处理器其实就只有一个固定的频率,比如赛扬500处理器的主频就是500MHz,随后Intel的SpeedStep和AMD的PowerNow!这类节能技术出现让处理器能够自动降低主频以降低能耗与发热,而在需要时又可以迅速地恢复原有的主频以提供标称的计算能力,这个阶段处理器最高频率就是它的基本频率。
既然能让处理器主动降频,那么是否能让处理器自动超频呢?随着技术的演进、操作系统的电源管理逐步完善,这一设想逐渐成为现实,在Core 2处理器的移动版上就有了可以让一个核心进入节能状态而让另一核心加速的动态加速技术,到了第一代酷睿处理器Nehalem上该技术就进化成了初代Turbo Boost睿频技术,可让多核心在以更高频率运行。
2 - pic5.jpg
其实不论动态加速技术还是睿频技术都是让CPU在TDP范围内进行自动超频,但不能突破TDP的限制,然而自第二代酷睿处理器Sandy Bridge开始引入的Turbo Boost 2.0就允许CPU越过TDP进行超频,此时TDP已经不能代表处理器的最大功耗了,由于在超过标称TDP后,CPU的发热量会大很多,所以Intel又给这个特性加上了最长时间、最高允许的功耗两项限制,后者延伸出了Power Limit和Turbo Time Parameter这两个东西。
3 - Powerlimit.jpg
Power Limit有四个等级,也就平常所说的PL1、PL2、PL3、PL4,PL1一般指CPU的长时运行最大功耗,等同于TDP,而PL2则是规定了CPU在睿频状态下的最大功耗值,PL3和PL4默认是关闭的,即使开启也只是允许10ms的瞬时峰值。
Turbo Time Parameter也就是Tau,是用于PL1指数加权移动平均功率计算的平均常数,它决定了处理器能在超过PL1功率后可持续工作多少时间,超过此时间后就会从PL2降至PL1状态。
对于桌面处理器来说,在第九代酷睿处理器之前,PL2的值一般是PL1的1.25倍,但到了第九代酷睿,PL2的数值已经被大幅提高,并且不同型号处理器的PL1可能是一样的,但PL2可能差距很大,已经看不出什么规律了。
被解除的功耗限制
更重要的是Intel把PL1和PL2的数值开放给用户和OEM厂商自行调整的,板厂很早的时候就把Z系列主板的CPU功耗限制默认全解了,近几年B系列主板也给你把功耗限制解除了,PL1、PL2以及Tau是可以在主板BIOS里面随意调整的, 想怎么改就怎么改。笔记本上限值稍微多一点,但你会发现许多游戏本会把原本TDP 45W的处理器功耗解锁到100W以上,并用软件提供多种性能模式给用户自行选择。
Core i9-11900K | AIDA64 Stress FPU AVX2 only
功率设置
CPU Package功率
CPU频率
解锁
266.2W
5.0GHz
PL2
197.4W
4.4GHz
PL1
124.9W
4.2GHz
超 能 网 制 作



解锁功耗限制的好处自然是可以让处理器稳定工作在更高的频率,以Core i9-11900K为例,依照Intel规范的话,使用AIDA 64 FPU负载且仅使用AVX2的时候处理器烤机稳定频率是4.2GHz,解除功率限制的话频率可以稳定在5.0GHz,当然代价就是CPU Package功耗从125W直接飙到266W。
功耗限制这问题在早年四核时代其实没多少人会注意到,当时处理器的功耗比较低,解除限制的满载功耗其实也不会比TDP高多少,然而在第八代酷睿之后核心数量开始增加后这问题日益严重,越是顶级的处理器,它的满载功耗和TDP相差就越大,以至于现在大家都觉得处理器的TDP没啥用了。
4 - MSI_Z690_BIOS.jpg
一般来说这个功耗限制在BIOS的内置《CPU高级设置》子菜单下,PL1的选项叫“Long Duration Power Limit”,PL2则叫“Short Duration Power Limit”,Tau的称号方式在不同品牌的主板上可能会有些不同,但一般都夹在PL1和PL2选项之间。较早的时候主板会直接帮你解锁这些东西,默认的Auto多数就是最大的意思,不过这两代会好点,初次启动时会让你选择是否解除处理器功耗限制,各品牌的主板询问方式可能会有所不同,像微星那样的就是让你选择你用的是什么散热器。
5 - Z690_bios.jpg
到了12代酷睿这里事情又变得复杂起来了,可能是Intel看你们板厂都默认解锁功耗控制,12代酷睿K系列处理器默认PL2是等于PL1的, 上面BIOS截图里面Core i9-12900KS就是PL1=PL2=241W,非K系列处理器则依然有明显的PL1和PL2功耗区分。不过到了12代这里,Intel也不用TDP了,ARK里面直接没了TDP这项,PL1叫处理器基础功耗,PL2则叫作最大睿频功耗。
Intel第12代酷睿系列处理器规格
型号
核心/线程数
P-Core频率
基础/最大
E-Core频率
基础/最大
L3缓存
功耗
最大/基础
内存速度
核显
Core i9-12900KS
8P+8E/24
3.4/5.5 GHz
3.4/4.0 GHz
30MB
241/150W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i9-12900K
Core i9-12900KF
8P+8E/24
3.2/5.2 GHz
2.4/3.9 GHz
30MB
241/125W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
N/A
Core i9-12900
Core i9-12900F
8P+8E/24
2.4/5.1 GHz
1.8/3.8 GHz
30MB
202/65W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
N/A
Core i9-12900T
8P+8E/24
1.4/4.9 GHz
1.0/3.6 GHz
30MB
106/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i7-12700K
Core i7-12700KF
8P+4E/20
3.6/5.0 GHz
2.7/3.8 GHz
25MB
190/125W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
N/A
Core i7-12700
Core i7-12700F
8P+4E/20
2.1/4.9 GHz
1.6/3.6 GHz
25MB
180/65W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
N/A
Core i7-12700T
8P+4E/20
1.4/4.7 GHz
1.0/3.4 GHz
25MB
99/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i5-12600K
Core i5-12600KF
6P+4E/16
3.7/4.9 GHz
2.8/3.6 GHz
20MB
150/125W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
N/A
Core i5-12600
6P+0E/12
3.3/4.8 GHz
N/A
18MB
117/65W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i5-12600T
6P+0E/12
2.1/4.6 GHz
N/A
18MB
74/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i5-12500
6P+0E/12
3.0/4.6 GHz
N/A
18MB
117/65W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i5-12500T
6P+0E/12
2.0/4.4 GHz
N/A
18MB
74/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 770
Core i5-12400
Core i5-12400F
6P+0E/12
2.5/4.4 GHz
N/A
18MB
117/65W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
N/A
Core i5-12400T
6P+0E/12
1.8/4.2 GHz
N/A
18MB
74/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
Core i3-12300
4P+0E/8
3.3/4.3 GHz
N/A
12MB
89/60W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
Core i3-12300T
4P+0E/8
2.3/4.2 GHz
N/A
12MB
69/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
Core i3-12100
Core i3-12100F
4P+0E/8
3.3/4.3 GHz
N/A
12MB
89/60W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
Core i3-12100T
4P+0E/8
2.2/4.1 GHz
N/A
12MB
69/35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 730
Pentium G7400
2P+0E/4
3.7 GHz
N/A
6MB
46W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 710
Pentium G7400T
2P+0E/4
3.1 GHz
N/A
6MB
35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 710
Celeron G6900
2P+0E/2
3.4 GHz
N/A
4MB
46W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 710
Celeron G6900T
2P+0E/2
2.8 GHz
N/A
4MB
35W
DDR5-4800
DDR4-3200
UHD 710
超 能 网 制 作



说真的12代酷睿这样标准其实更好让消费者理解,只不过实际到了消费者手上,这些桌面处理器多数也会被解除功耗限制,白给的性能谁不想要呢?会乖乖遵守Intel功耗规范的也只有OEM厂商卖的整机了。
笔记本那边也会根据机器的散热设计对处理器的功耗限制进行调整,比如Core i9-12900H标准状态下PL1是45W,PL2则是115W,但我们之前测试的ROG枪神6游戏本上的它的最高就能设置成PL1=PL2=135W,而在ROG幻X二合一设备上只开放到PL1=55W,PL2=95W。
需要手动解锁的AMD处理器功耗限制
对于AMD的处理器来说,AMD第一个处理器自动提频技术Turbo Core是和K10.5架构处理器一同到来的,之后的推土机架构处理器有继续沿用,AMD的Turbo Core和Intel的第一代Turbo Boost一样被严格控制在TDP之内的。
到了后来的Zen架构,Turbo Core升级为Precision Boost精准频率提升技术,除此之外还有XFR自适应动态扩频技术,在锐龙1000处理器的时候它们仅能提升两个线程的频率,和Intel的Turbo Boost 2.0比起来弱不少,所以在锐龙2000处理器的时候推出了第二代Precision Boost和XFR,允许更多线程同时提升到更高的频率,不同线程的负载可以把频率提升到不同水平,频率增幅更大且提频更灵活,这两技术一直沿用至今。
6 - zen-sensemi-2_1200.jpg
在这两技术投入应用之后AMD的锐龙处理器的最大功耗就允许超越TDP了,特别是XFR是能让CPU的频率最大值能随散热方案进行自动调整,散热方案越好频率增幅越明显,所以会出现处理器功率大幅度超过TDP的情况,以Ryzen 7 5800X为例,它的TDP是105W,实际烤机测试时峰值功耗能到151W。
当然AMD锐龙处理器功耗超越TDP的幅度远低于Intel的酷睿处理器,这是因为板厂默认并没有解除AMD主板上的功耗控制,你会发现锐龙处理器在轻载和重载时处理器的全核频率是不一样的,这就是功耗限制的结果。
7 - B550_bios.jpg
想要解除AMD锐龙处理器的功耗限制,就得进入主板BIOS的PBO菜单,把Precision Boost Overdirve改成Advanced模式,PBO Limits改成手动模式,然后你就可以看到PPT、TDC、EDC三个限制,其中PPT是处理器插座功率限制,TDC和EDC则是VRM的供电电流限制,你可以把这些东西都设置成最大,但最终依然会受限于主板供电和处理器的散热状况。
解锁AMD处理器的功耗限制对于双CCD的锐龙9处理器来说提升会比较大,单CCD的提升幅度就低不少,根据我们此前的测试,Ryzen 9 5950X在开启PBO后AIDA 64 FPU烤机功耗从原来的124W提升至229W,全核频率从3.65GHz提升至4.25GHz,R23跑分成绩提升了12.2%之多。
上面所说的都是针对默认状态和使用PBO进行自动超频的情况,如果用手动超频模式的话处理器功率限制会被自动解除。
全文总结
总之处理器的TDP并不等于它的功耗,现在处理器的TDP和他的最大功耗也没有直接关系,Intel那边由于板厂默认解锁处理器功耗限制所以TDP基本没有啥参考价值,在12代酷睿上Intel也给处理器的PL1和PL2功耗了,不提TDP这事,当然你硬是想让TDP变得有意义也不是不行,把功耗限制全都打开全按照Intel规范来走就行,这样处理器功耗会降低不少,也凉快许多,只不过性能会有一定程度下降。AMD这边板厂默认没有解除功耗限制,但锐龙处理器实际最大功耗也是高于TDP的。
最后提一嘴的是,别把软件报出来的CPU Package功耗当成CPU从电源那里拿了多少电,因为CPU和电源中间还隔了一层主板VRM供电线路,这样就有转换消耗,这消耗会根据主板供电设计的不同有很大差别,CPU Package能当成电源选购参考这没错,但请不要直接画等号,可能要算多10%到30%左右的损耗。


来源:超能网






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