超能課堂(316):處理器的TDP等於它的最大功耗嗎?

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相信有不少老玩家已經知道處理器的TDP並不等於它的實際功耗,但還是有不少人會把TDP當作CPU的功耗,就比如說Core i9-11900K的TDP是125W,所以它的功耗就是125W,這明顯是錯的,但也不完全錯,所以今天我們就來聊聊CPU的TDP和功耗這事。

什麼是TDP

關於TDP的定義,它全稱是Thermal Design Power熱設計功耗,維基百科上的解釋是指處理器在執行實際應用程式時,可產生的最大熱量,單位是瓦特,TDP主要用於和處理器相匹配時,散熱器能夠有效地冷卻處理器的依據。而Intel Ark上對TDP的解釋略有不同,原文是“熱設計功耗 (TDP) 以瓦特為單位,表示所有活動核心在Intel定義的高複雜性工作負載下,以基本頻率執行時消耗的平均功率。”

可見無論哪個解釋TDP都和處理器的功耗沒直接關係,並非指CPU實際的功耗值, 它的其實是給散熱器廠商和系統裝置製造商的一個重要參考指標,是桌上型電腦、膝上型電腦、伺服器等裝置散熱系統設計的重要參考指標。TDP越大,表明CPU在工作時會產生的單位時間熱量越大。對於散熱系統來說,需要將TDP作為散熱能力設計的最低標準,也就是散熱系統至少要能散出TDP數值所表示的單位時間熱量。

在第37期的超能課堂中我們已經說過,CPU的電能幾乎都消耗線上路上了,其它還有少量的輻射能和內部儲存的化學能可以忽略不計,也就是說CPU所消耗的電能幾乎都轉換成熱能了,而Intel定義的TDP則是處理器在執行實際應用時可產生的最大熱量,那麼從這個角度來看TDP又是否等於處理器的實際功耗呢?

CPU最大功耗和TDP漸走漸遠

這個問題嘛,要分量個時間段來解釋。對於Intel處理器來說在Turbo Boost 2.0來之前TDP是比較接近處理器的最大功耗的,而在Turbo Boost 2.0到來之後TDP對於普通使用者來說參考意義已經不大了。

在最早的時候,處理器其實就只有一個固定的頻率,比如賽揚500處理器的主頻就是500MHz,隨後Intel的SpeedStep和AMD的PowerNow!這類節能技術出現讓處理器能夠自動降低主頻以降低能耗與發熱,而在需要時又可以迅速地恢復原有的主頻以提供標稱的計算能力,這個階段處理器最高頻率就是它的基本頻率。

既然能讓處理器主動降頻,那麼是否能讓處理器自動超頻呢?隨著技術的演進、作業系統的電源管理逐步完善,這一設想逐漸成為現實,在Core 2處理器的移動版上就有了可以讓一個核心進入節能狀態而讓另一核心加速的動態加速技術,到了第一代酷睿處理器Nehalem上該技術就進化成了初代Turbo Boost睿頻技術,可讓多核心在以更高頻率執行。

其實不論動態加速技術還是睿頻技術都是讓CPU在TDP範圍內進行自動超頻,但不能突破TDP的限制,然而自第二代酷睿處理器Sandy Bridge開始引入的Turbo Boost 2.0就允許CPU越過TDP進行超頻,此時TDP已經不能代表處理器的最大功耗了,由於在超過標稱TDP後,CPU的發熱量會大很多,所以Intel又給這個特性加上了最長時間、最高允許的功耗兩項限制,後者延伸出了Power Limit和Turbo Time Parameter這兩個東西。

Power Limit有四個等級,也就平常所說的PL1、PL2、PL3、PL4,PL1一般指CPU的長時執行最大功耗,等同於TDP,而PL2則是規定了CPU在睿頻狀態下的最大功耗值,PL3和PL4預設是關閉的,即使開啟也只是允許10ms的瞬時峰值。

Turbo Time Parameter也就是Tau,是用於PL1指數加權移動平均功率計算的平均常數,它決定了處理器能在超過PL1功率後可持續工作多少時間,超過此時間後就會從PL2降至PL1狀態。

對於桌面處理器來說,在第九代酷睿處理器之前,PL2的值一般是PL1的1.25倍,但到了第九代酷睿,PL2的數值已經被大幅提高,並且不同型號處理器的PL1可能是一樣的,但PL2可能差距很大,已經看不出什麼規律了。

被解除的功耗限制

更重要的是Intel把PL1和PL2的數值開放給使用者和OEM廠商自行調整的,板廠很早的時候就把Z系列主機板的CPU功耗限制預設全解了,近幾年B系列主機板也給你把功耗限制解除了,PL1、PL2以及Tau是可以在主機板BIOS裡面隨意調整的, 想怎麼改就怎麼改。筆記本上限值稍微多一點,但你會發現許多遊戲本會把原本TDP 45W的處理器功耗解鎖到100W以上,並用軟體提供多種效能模式給使用者自行選擇。

解鎖功耗限制的好處自然是可以讓處理器穩定工作在更高的頻率,以Core i9-11900K為例,依照Intel規範的話,使用AIDA 64 FPU負載且僅使用AVX2的時候處理器烤機穩定頻率是4.2GHz,解除功率限制的話頻率可以穩定在5.0GHz,當然代價就是CPU Package功耗從125W直接飆到266W。

功耗限制這問題在早年四核時代其實沒多少人會注意到,當時處理器的功耗比較低,解除限制的滿載功耗其實也不會比TDP高多少,然而在第八代酷睿之後核心數量開始增加後這問題日益嚴重,越是頂級的處理器,它的滿載功耗和TDP相差就越大,以至於現在大家都覺得處理器的TDP沒啥用了。

一般來說這個功耗限制在BIOS的內建《CPU高階設定》子選單下,PL1的選項叫“Long Duration Power Limit”,PL2則叫“Short Duration Power Limit”,Tau的稱號方式在不同品牌的主機板上可能會有些不同,但一般都夾在PL1和PL2選項之間。較早的時候主機板會直接幫你解鎖這些東西,預設的Auto多數就是最大的意思,不過這兩代會好點,初次啟動時會讓你選擇是否解除處理器功耗限制,各品牌的主機板詢問方式可能會有所不同,像微星那樣的就是讓你選擇你用的是什麼散熱器。

到了12代酷睿這裡事情又變得複雜起來了,可能是Intel看你們板廠都預設解鎖功耗控制,12代酷睿K系列處理器預設PL2是等於PL1的, 上面BIOS截圖裡面Core i9-12900KS就是PL1=PL2=241W,非K系列處理器則依然有明顯的PL1和PL2功耗區分。不過到了12代這裡,Intel也不用TDP了,ARK裡面直接沒了TDP這項,PL1叫處理器基礎功耗,PL2則叫作最大睿頻功耗。

說真的12代酷睿這樣標準其實更好讓消費者理解,只不過實際到了消費者手上,這些桌面處理器多數也會被解除功耗限制,白給的效能誰不想要呢?會乖乖遵守Intel功耗規範的也只有OEM廠商賣的整機了。

筆記本那邊也會根據機器的散熱設計對處理器的功耗限制進行調整,比如Core i9-12900H標準狀態下PL1是45W,PL2則是115W,但我們之前測試的ROG槍神6遊戲本上的它的最高就能設定成PL1=PL2=135W,而在ROG幻X二合一裝置上只開放到PL1=55W,PL2=95W。

需要手動解鎖的AMD處理器功耗限制

對於AMD的處理器來說,AMD第一個處理器自動提頻技術Turbo Core是和K10.5架構處理器一同到來的,之後的推土機架構處理器有繼續沿用,AMD的Turbo Core和Intel的第一代Turbo Boost一樣被嚴格控制在TDP之內的。

到了後來的Zen架構,Turbo Core升級為Precision Boost精準頻率提升技術,除此之外還有XFR自適應動態擴頻技術,在銳龍1000處理器的時候它們僅能提升兩個執行緒的頻率,和Intel的Turbo Boost 2.0比起來弱不少,所以在銳龍2000處理器的時候推出了第二代Precision Boost和XFR,允許更多執行緒同時提升到更高的頻率,不同執行緒的負載可以把頻率提升到不同水平,頻率增幅更大且提頻更靈活,這兩技術一直沿用至今。

在這兩技術投入應用之後AMD的銳龍處理器的最大功耗就允許超越TDP了,特別是XFR是能讓CPU的頻率最大值能隨散熱方案進行自動調整,散熱方案越好頻率增幅越明顯,所以會出現處理器功率大幅度超過TDP的情況,以Ryzen 7 5800X為例,它的TDP是105W,實際烤機測試時峰值功耗能到151W。

當然AMD銳龍處理器功耗超越TDP的幅度遠低於Intel的酷睿處理器,這是因為板廠預設並沒有解除AMD主機板上的功耗控制,你會發現銳龍處理器在輕載和過載時處理器的全核頻率是不一樣的,這就是功耗限制的結果。

想要解除AMD銳龍處理器的功耗限制,就得進入主機板BIOS的PBO選單,把Precision Boost Overdirve改成Advanced模式,PBO Limits改成手動模式,然後你就可以看到PPT、TDC、EDC三個限制,其中PPT是處理器插座功率限制,TDC和EDC則是VRM的供電電流限制,你可以把這些東西都設定成最大,但最終依然會受限於主機板供電和處理器的散熱狀況。

解鎖AMD處理器的功耗限制對於雙CCD的銳龍9處理器來說提升會比較大,單CCD的提升幅度就低不少,根據我們此前的測試,Ryzen 9 5950X在開啟PBO後AIDA 64 FPU烤機功耗從原來的124W提升至229W,全核頻率從3.65GHz提升至4.25GHz,R23跑分成績提升了12.2%之多。

上面所說的都是針對預設狀態和使用PBO進行自動超頻的情況,如果用手動超頻模式的話處理器功率限制會被自動解除。

全文總結

總之處理器的TDP並不等於它的功耗,現在處理器的TDP和他的最大功耗也沒有直接關係,Intel那邊由於板廠預設解鎖處理器功耗限制所以TDP基本沒有啥參考價值,在12代酷睿上Intel也給處理器的PL1和PL2功耗了,不提TDP這事,當然你硬是想讓TDP變得有意義也不是不行,把功耗限制全都開啟全按照Intel規範來走就行,這樣處理器功耗會降低不少,也涼快許多,只不過效能會有一定程度下降。AMD這邊板廠預設沒有解除功耗限制,但銳龍處理器實際最大功耗也是高於TDP的。

最後提一嘴的是,別把軟體報出來的CPU Package功耗當成CPU從電源那裡拿了多少電,因為CPU和電源中間還隔了一層主機板VRM供電線路,這樣就有轉換消耗,這消耗會根據主機板供電設計的不同有很大差別,CPU Package能當成電源選購參考這沒錯,但請不要直接畫等號,可能要算多10%到30%左右的損耗。

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