熱設計電力
アルミフィンとコアで構成されたヒートシンクをマザーボード上に搭載し、その上に手のひら半分ほどの大きさのファンを取り付けます。ヒートシンクのアルミコアは、その下にある40×40mmのCPU表面に接触し、熱伝導によって熱を逃がします。このヒートシンクは、CPUのTDPに合わせた冷却能力で設計されています。
マザーボード上に搭載され、その下にあるCPUを冷却するヒートシンク。このヒートシンクは、CPUのTDPに合わせて冷却能力が設計されています。

熱設計電力( TDP ) は熱設計点とも呼ばれ、コンピューター コンポーネント ( CPU、GPU 、システム オン チップなど) が生成できる最大熱量であり、非ターボクロック レート(基本周波数)での通常動作中にその冷却システムが放散するように設計されている熱量です。

いくつかの情報源によると、マイクロプロセッサのピーク電力定格は通常TDP定格の1.5倍であると言われています。[ 1 ]グラフィックスプロセッシングユニットでは、ピーク電力とTDPの間にさらに大きな差があることが知られています。[ 2 ]

計算

ACPとTDPの比較[ 3 ]
ACP TDP
40ワット60ワット
55ワット79ワット
75ワット115ワット
105ワット137ワット

平均CPU電力（ACP）は、Advanced Micro Devices（AMD）がK10マイクロアーキテクチャをベースとしたプロセッサ製品群（Opteron 8300および2300シリーズプロセッサ）において定義する、中央処理装置（特にサーバープロセッサ）の「平均的な」日常使用における消費電力です。PentiumおよびCore 2プロセッサで使用されるIntelの熱設計電力（TDP）は、高負荷時のエネルギー消費量を測定し、数値的には同じプロセッサの「平均的な」ACP定格よりも若干高くなります。

AMDによると、ACP定格には、TPC-C、SPECcpu2006、SPECjbb2005 、 STREAMベンチマーク[ 4 ]（メモリ帯域幅）[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]など、複数のベンチマーク実行時の消費電力が含まれており、AMDは、データセンターやサーバー集約型のワークロード環境における消費電力測定に適した方法であると述べています。AMDは、プロセッサのACP値とTDP値は両方記載され、互いに置き換わるものではないと述べています。Barcelona以降のサーバープロセッサには、2つの電力値があります。

CPUのTDPは場合によっては過小評価されており、特定のアプリケーション（ビデオエンコードやゲームなど、一般的に負荷の高いアプリケーション）ではCPUが規定のTDPを超え、コンピューターの冷却システムに過負荷をかけることがあります。この場合、CPUはシステム障害（「サーマルトリップ」）を引き起こすか、速度を低下させます。[ 8 ]最近のプロセッサのほとんどは、ファンが動作しなくなったり、ヒートシンクが正しく取り付けられていなかったりするなど、壊滅的な冷却障害が発生した場合にのみサーマルトリップを引き起こします。

例えば、ノートパソコンのCPU冷却システムは20Wの TDP向けに設計されている場合があります。これは、ノートパソコンのCPUの最大接合部温度を超えることなく、最大20ワットの熱を放散できることを意味します。冷却システムは、ファン付きヒートシンクなどの能動的な冷却方法（例えば、強制対流と伝導を組み合わせたもの）を使用するか、または熱放射または伝導という2つの受動的な冷却方法のいずれかを使用してこれを実現します。通常、これらの方法を組み合わせて使用​​されます。

安全マージンと実際のアプリケーションの定義はメーカーによって異なるため、異なるメーカー間の TDP 値を正確に比較することはできません (たとえば、TDP が 100 W のプロセッサは、全負荷時に、その TDP の一部のプロセッサよりも確実に多くの電力を消費します。また、同じメーカーのより低い TDP のプロセッサよりも多くの電力を消費する可能性が非常に高くなります。ただし、90 W などのそれほど低くない TDP を持つ別のメーカーのプロセッサよりも多くの電力を消費するかどうかはわかりません)。さらに、TDP はプロセッサ ファミリに対して指定されることが多く、ローエンド モデルは通常、ファミリのハイエンド モデルよりも大幅に少ない電力を消費します。

2006年頃まで、AMDはプロセッサの最大消費電力をTDPとして報告していました。Intelは、Conroeファミ​​リのプロセッサの導入によりこの慣行を変更しました。 [ 9 ] Intelは、チップが持続的な負荷を受けている間にコンピューターのファンとヒートシンクが放散できる必要がある電力量に応じて、特定のチップのTDPを計算します。実際の電力使用量はTDPよりも高くなることも（大幅に）低くなることもありますが、この数値は製品の冷却ソリューションを設計するエンジニアにガイダンスを提供することを目的としています。[ 10 ]特に、Intelの測定では、デフォルトの時間制限のためにIntel Turbo Boostが完全に考慮されていませんが、 AMD Turbo Coreは常に最大電力を追求するため、AMDはそれを考慮しています。[ 11 ]

複数のTDP

一部のプロセッサのTDP仕様では、使用シナリオ、利用可能な冷却能力、および必要な消費電力に応じて、複数の異なる電力レベルで動作することが許可されています。このような可変TDPを提供する技術には、Intelの構成可能TDP（cTDP）とシナリオ設計電力（SDP）、そしてAMDのTDP電力上限などがあります。

設定可能TDP（cTDP ）は、プログラマブルTDPまたはTDPパワーキャップとも呼ばれ、Intelモバイルプロセッサ（2014年1月現在）およびAMDプロセッサ（2012年6月現在）の最新世代の動作モードであり、TDP値の調整を可能にします。プロセッサの動作とパフォーマンスレベルを変更することで、プロセッサの消費電力を変化させ、同時にTDPも変化させることができます。これにより、利用可能な冷却能力と必要な消費電力に応じて、プロセッサはより高いパフォーマンスレベルまたはより低いパフォーマンスレベルで動作することができます。[ 12 ]：69–72 [ 13 ] [ 14 ]

cTDPは通常3つの動作モードを提供する（ただしこれらに限定されない）：[ 12 ]：71–72

  • 公称 TDP  – プロセッサの定格周波数と TDP。
  • cTDP ダウン – より低温またはより静かな動作モードが必要な場合、このモードでは公称モードと比較してより低い TDP とより低い保証周波数が指定されます。
  • cTDP アップ – 追加の冷却が利用可能な場合、このモードでは公称モードと比較して、より高い TDP とより高い保証周波数が指定されます。

例えば、モバイルHaswellプロセッサの中には、cTDPアップ、cTDPダウン、またはその両方のモードをサポートするものがあります。[ 15 ]別の例として、AMD OpteronプロセッサとKaveri APUの一部は、より低いTDP値に設定できます。[ 14 ] IBMのPOWER8プロセッサは、組み込みオンチップコントローラ（OCC）を通じて同様の電力制限機能を実装しています。[ 16 ]

インテルは2013年に一部の低消費電力Yシリーズプロセッサにシナリオ設計電力（SDP）を導入しました。 [ 17 ] [ 18 ]これは、「実際の環境シナリオにおける熱的に重要なデバイスの使用状況を表すための追加の熱基準点」と説明されています。[ 19 ]電力定格としてのSDPは、プロセッサの追加電力状態ではなく、特定のベンチマークプログラムの組み合わせを使用して「実際の」シナリオをシミュレートしたプロセッサの平均電力消費を示します。[ 17 ] [ 20 ] [ 21 ]

熱設計電力パラメータの曖昧さ

一部の著者やユーザーが指摘しているように、熱設計電力（TDP）定格は曖昧なパラメータです。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]実際、メーカーによってTDPの定義方法が異なり、動作条件も異なります。これらの詳細は（ごくわずかな例外を除いて）ほとんど公開されていません。そのため、異なるメーカーの類似デバイスをTDPに基づいて合理的に比較したり、熱管理とコストの両面から冷却システムの設計を最適化したりすることは、非常に困難（不可能ではないにしても）です。

熱管理の基礎

この問題をよりよく理解するためには、熱管理とコンピュータの冷却の基礎となる基本概念を思い出す必要があります。[ 27 ] CPUケースからヒートシンクを通って周囲の空気に伝わる熱伝導経路を考えてみましょう。

Pd（ワット）はCPUによって発生し、適切なヒートシンクを通して周囲に放散される熱電力です。これはCPUの直流電源レールから消費される総電力に相当します。
Rca ( °C /W) = CPUケースと周囲の空気間のヒートシンクの熱抵抗。
Tc ( °C ) = CPUケースの最大許容温度 (完全なパフォーマンスを保証)。
Ta ( °C ) =ヒートシンクファンの入口における最大予想周囲温度。

これらすべてのパラメータは次の式によって結び付けられます。

（Tc−T1つの）＝Pd⋅Rc1つの{\displaystyle (Tc-Ta)=Pd\cdot Rca}

したがって、放散される熱電力 (Pd)、CPUの最大許容ケース温度 (Tc)、および冷却ファンに入る空気の最大予想周囲温度 (Ta) がわかれば、必要なヒートシンクの基本特性、つまり熱抵抗 Rca を次のように決定できます。

Rc1つの＝（Tc−T1つの）Pd{\displaystyle Rca={\frac {(Tc-Ta)}{Pd}}}

この式は次のように書き直すことができる。

Pd＝（Tc−T1つの）Rc1つの{\displaystyle Pd={\frac {(Tc-Ta)}{Rca}}}

ここで、Pd は熱設計電力 (TDP) に置き換えることができます。

なお、CPUからマザーボードのプリント回路を通って周囲の空気に流れる放熱経路の熱抵抗は、ヒートシンクの熱抵抗よりも桁違いに大きいため、この計算では無視できます。

熱設計電力（TDP）を扱う際の問題

すべての入力データがわかると、前の式を使用して、最大ケース温度を事前定義された値 Tc 以下に保つのに十分な、ケースと周囲空気間の適切な熱抵抗 Rca を持つCPUのヒートシンクを選択できます。

一方、熱設計電力（TDP）を扱う場合、CPUメーカーは通常、このパラメータが定義された正確な条件を公開しないため、曖昧さが生じます。定格性能を得るために許容される最大ケース温度Tc、対応する周囲温度Ta、そして最後に、具体的な計算テストのワークロードに関する詳細が欠落していることがよくあります。

例えば、Intelの一般サポートページでは、TDPは「理論上の最大負荷時の消費電力」を指すと簡潔に述べられています。[ 28 ]また、第12世代CPU以降では、熱設計電力（TDP）という用語がプロセッサベース電力（PBP）に置き換えられていることも説明されています。[ 29 ] Core i7-7700プロセッサ専用のサポートページでは、IntelはTDPを、実際のアプリケーション実行時にプロセッサが生成できる最大熱量と定義していますが、[ 30 ]ここでの「実際のアプリケーション」が何であるかは明示されていません。別の例として、 XeonプロセッサとAMDの競合デバイスを比較した2011年のホワイトペーパーでは、 IntelはTDPを最大ケース温度で測定された熱プロファイルの上限値と定義していますが、この温度が何℃であるべきか（また、コンピューティング負荷が何℃であるべきか）は明示していません。[ 31 ]これらの定義はすべて、 CPUがベースクロックレート（ターボなし）で動作している ことを意味していることに注意することが重要です。

結論は：

  • 異なるメーカーのデバイス間で TDP を比較することはあまり意味がありません。
  • ヒートシンクの選択は、選択したケース温度 Tc が高すぎるか低すぎる場合 (それぞれ周囲温度 Ta が低すぎるか高すぎる場合)、またはCPUが異なる計算負荷で動作している場合、過熱 ( CPU のパフォーマンス低下) または過冷却 (大きすぎて高価なヒートシンク) につながる可能性があります。
  • CPUの長寿命化を図る一つの方法としては、メーカーに推奨される最高ケース温度Tcを尋ね、それに基づいて冷却システムを大型化することが挙げられます。例えば、ターボオーバークロックを考慮した安全マージンとして、定格TDPの1.5倍の熱出力を考慮することができます。いずれにせよ、シリコン接合温度が低いほど、デバイスの寿命は長くなります。これは、アルレニウスの式によって非常に大まかに表される加速係数に基づいています。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]

AMDの熱設計電力（TDP）に関するいくつかの公開された詳細

2019年10月、GamersNexusのハードウェアガイド[ 26 ] [ 35 ]は、 AMDから直接入手したケース温度と周囲温度の値を記載した表を掲載し、 Ryzen 5、7、9 CPUのTDPを説明した。AMDが示したこれらのパラメータを関連付ける式は、通常、

TDP＝（Tc−T1つの）/Rc1つの{\displaystyle TDP=(Tc-Ta)/Rca}

これらのデバイスの公称 TPD は 65 W ～ 105 W の範囲です。AMD が想定している周囲温度は+42° C、ケース温度は +61.8 °C～ +69.3 °Cの範囲で、ケースから周囲への熱抵抗は 0.189 ～ 0.420 °C /W の範囲です。

参照

参考文献

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