Почему процессоры и видеокарты становятся слишком «прожорливыми»?

250 Вт для процессора и 450 Вт для видеокарты – не многовато ли? Производители вообще об этом думают? В этой статье мы заглянем за радиаторы кулеров и посмотрим, что на самом деле стоит за характеристиками мощности чипов и какие физические процессы в них происходят.

Новые поколения процессоров выходят примерно каждые два года. Довольно долгое время центральные процессоры (CPU, или просто процессоры) держались на практически постоянном уровне потребляемой мощности, тогда как графические процессоры (GPU, или видеокарты) прибавляли в энергопотреблении, но умеренными темпами. Однако сегодняшние топовые модели чипов всех видов и марок требуют очень много энергии. В этой статье мы заглянем за радиаторы кулеров и посмотрим, что на самом деле стоит за характеристиками мощности чипов и какие физические процессы в них происходят.

Зачем чипам нужна энергия и почему они нагреваются

Чипы CPU и GPU относятся к разряду сверхбольших интегральных схем (СБИС): они содержат огромное количество транзисторов, резисторов и других электронных элементов уже наноскопических размеров.

Чтобы эти микросхемы работали и выполняли задачи, для которых они предназначены, им нужно электричество. Арифметико-логические устройства (АЛУ) в схеме процессора осуществляют математические операции путем переключения множества транзисторов, изменяющих напряжение в какой-либо части схемы.

В современных процессорах используются ребристые полевые транзисторы FinFET (Fin Field-Effect Transistor). Такой транзистор можно представить как мост между двумя островами, где приложение малого напряжения открывает путь току из одного места в другое.

Очевидно, что для протекания тока через острова и мост необходима электрическая энергия – без этого чип просто не сможет выполнять никакие операции. Но почему он еще и нагревается?

К сожалению, все эти элементы обладают электрическим сопротивлением по отношению к протекающему через них току. Оно очень маленькое, но с учетом того, что общее количество транзисторов в CPU и GPU исчисляется миллиардами, суммарный тепловой эффект оказывается весьма ощутимым.

Внутреннее сопротивление типовой микросхемы CPU может составлять всего лишь чуть больше десяти миллиом, но при протекании через нее тока 80 A и более на этом сопротивлении выделяется тепло, эквивалентное более чем 90 джоулям в секунду (или ваттам, Вт).

Это тепло передается в материалы, из которых сделан чип, поэтому любой процессор во время работы нагревается. Большим чипам требуется активное охлаждение, чтобы они не нагревались до слишком высоких температур, то есть все это тепло нужно отводить куда-то в другое место.

На количество рассеиваемого тепла влияют и другие факторы, такие как токи утечки, но если процессор так или иначе 'теряет' энергию (в виде тепла), он должен непрерывно ее 'потреблять', чтобы продолжать функционировать.

Другими словами, та мощность, которую процессор выделяет в виде тепла, практически равна мощности, указываемой в его спецификациях («рейтингу мощности» или энергопотреблению чипа). Теперь давайте посмотрим, как менялись энергетические запросы центральных процессоров для ПК с течением времени.

Что скрывается за номинальными характеристиками мощности CPU

Уже многие годы, по традиции, производители чипов CPU заявляют об энергопотреблении своих процессоров в форме простой характеристики – расчетной тепловой мощности микросхемы (Thermal Design Power, TDP). К сожалению, в ходе эволюции чипов определение этого показателя тоже претерпело ряд изменений.

Другими словами, если процессор Intel, имеет, например, базовую частоту 3.4 ГГц и максимально допустимую температуру 95 °C, то его рейтинг мощности равен мощности TDP, которую этот чип выделяет в стационарном режиме работы с этими граничными характеристиками.

Давайте посмотрим на TDP процессоров, выходивших в течение последних 17 лет. Мы здесь взяли самые мощные настольные чипы этого периода пользовательского класса, не рассматривая процессоры для рабочих станций и т.п.

Не считая нескольких отдельных случаев, например, AMD FX-9590 2013 года выпуска (с TDP 220 Вт!), вроде бы можно сказать, что все это время CPU выдерживают достаточно стабильный уровень энергопотребления.

На этом графике нет никаких признаков роста энергопотребления процессоров, что, безусловно, хорошо. И вполне объяснимо в свете непрерывного совершенствования технологий полупроводникового производства и оптимизации интегральных микросхем.

Единственная проблема заключается в том, что почти каждый процессор, выходящий на рынок, может работать с намного более высокими тактовыми частотами, чем базовая. Вышеупомянутый FX-9590 имеет базовую частоту 4.7 ГГц, но при этом может ускориться до 5.0 ГГц. Что происходит в этой ситуации?

И Intel, и AMD оснащают свои чипы рядом опций, каждая из которых может быть как активной, так и неактивной (в зависимости от того, поддерживается ли она в BIOS), но в совокупности это обычно позволяет процессору управлять собственной частотой и мощностью.

У Intel, в частности, основная технология в этой области называется Turbo Boost: она подстраивает частоту и мощность процессора под определенную нагрузку на определенное время.

Процессоры Intel имеют два основных лимита мощности, PL1 (он же TDP) и PL2, хотя на самом деле лимитов мощности больше.

Обратите внимание, что оранжевая кривая мощности может кратковременно выходить на значительно более высокие уровни, чем PL1, и стабильно держаться на уровне PL2 в течение некоторого отрезка времени. Здесь процессор работает на более высокой частоте, чем базовая, но не обязательно на максимальной.

Поскольку Intel по умолчанию отключает опции выхода на уровни PL3 и PL4, можно считать, что максимальное энергопотребление процессора фактически определяется уровнем PL2 – процессор может работать в этом режиме как несколько секунд, так и сколь угодно долго (в зависимости от настроек BIOS).

Но насколько уровень PL2 выше, чем PL1? Эта разница варьируется в каждой новой модели CPU, но давайте просто возьмем примеры нескольких последних лет из нашего рейтинга TDP.

Семь лет назад, когда вышел Core i7-8700K, разница между PL2 and PL1 конкретно у этого процессора составляла всего 30 Вт, но начиная с 10-го поколения мы видим разницу в 100 Вт и более – в некоторых примерах PL2 фактически удваивает номинальное энергопотребление процессора.

AMD использует другие спецификации мощности и определения, но и их процессоры тоже могут потреблять и рассеивать существенно большую мощность, чем номинальный лимит TDP.

У AMD верхний лимит называется PPT (Package Power Tracking) – это максимальная мощность, которую процессор может рассеивать под любой заданной нагрузкой. Для всех настольных процессоров Ryzen с TDP 95 Вт и более значение PPT рассчитывается по формуле 1.34 x TDP.

Итак, на сегодняшний день очевидно следующее: топовые процессоры за последние несколько лет увеличили свои максимальные показатели энергопотребления, хотя номинальные значения TDP при этом оставались примерно на одном и том же уровне.

Производители материнских плат усугубляют эту ситуацию, устанавливая в BIOS свои диапазоны настроек, перекрывающие стандартные лимиты мощности и временные интервалы, определенные Intel по умолчанию. Другими словами, если на одной плате процессор может потреблять и рассеивать максимум 120 Вт, то на другой – 200 Вт.

Но здесь нужно отметить, что все вышесказанное относится к топовым процессорам, которые выпускаются с самыми высокими доступными тактовыми частотами и максимальным числом активных ядер.

Лимиты мощности процессоров средней и бюджетной категорий, к счастью, изменились очень мало, просто потому, что у этих процессоров меньше ядер.

В начальном сегменте рынка настольных процессоров мы находим популярную модель Intel Core i3-12100F с TDP 58 Вт (и лимитом PL2 89 Вт), а также AMD Ryzen 3 4100 с TDP 65 Вт – это практически тот же уровень энергопотребления, на котором продукты этих линеек были всегда.

Однако новейший процессор AMD средней категории Ryzen 7600X имеет TDP 105 Вт – на 40 Вт больше, чем его непосредственный предшественник, 5600X. И Intel Core i5-12600K тоже имеет TDP чипа класса high-end: 125 Вт.

Все это указывает на то, что общая кривая энергопотребления неуклонно ползет вверх – в первую очередь этот тренд относится к топовым процессорам, но уже не только к ним. Если вы хотите приобрести CPU с наибольшим количеством ядер и самыми высокими тактовыми частотами, готовьтесь к тому, что этому процессору потребуется значительно больше энергии.

И, к сожалению, даже тем, кто собирается обновить процессор до новейшей опции средней ценовой категории, возможно, придется согласиться на заметно большее энергопотребление.

Встречайте прожорливых бегемотов: GPU

Если центральный процессор в части потребляемой мощности ведет себя еще более-менее по-джентльменски, даже с учетом последних темпов роста максимальных лимитов мощности, то другой чип в настольном компьютере с каждым новым поколением становится не в пример больше и прожорливее. Речь идет о графическом процессоре (GPU) дискретной видеокарты, который представляет собой самую большую и сложную полупроводниковую микросхему из всех, с которыми большинство людей имеет дело в повседневной практике, – это касается и количества транзисторов, и размеров кристалла, и вычислительного потенциала графического чипа.

Качество и реалистичность графики в компьютерных играх сегодня такие, о которых 17 лет назад можно было только мечтать, но все эти многоугольники, текстуры и пиксели стоят таких энергетических затрат, по сравнению с которыми энергопотребление чипов CPU выглядит чем-то несерьезным.

Мы построили для видеокарт такие же эволюционные графики, как и для процессоров, выбрав на каждый год выпуска самые мощные модели пользовательского класса от ведущих производителей.

И мы видим, что если процессор AMD Ryzen 9 7950X сегодня может потреблять и рассеивать максимум 230 Вт, то для видеокарт класса high-end это уровень почти 15-летней давности.

Видно также, что темпы роста энергопотребления самых мощных видеокарт в целом демонстрируют слабую тенденцию к снижению, поскольку тренды обоих производителей аппроксимируются неубывающими функциями, хотя корреляция здесь тоже слабая.

А с выходом видеокарты Nvidia GeForce RTX 4090 на базе чипа с 76 млрд транзисторов и TDP 450 Вт планка поднялась еще выше.

Что, производителей видеокарт вопрос энергопотребления вообще не беспокоит?

На графике выше показана зависимость TDP видеокарт от плотности транзисторов, которая определяется количеством транзисторов, умещающихся на каждом квадратном миллиметре микросхемы GPU.

Плотность транзисторов взята в логарифмическом масштабе, поскольку в последние годы она возрастает колоссальными темпами – в линейном масштабе данные отображались бы слишком скученно.

Видно, что в микросхемах GPU содержится все больше нанопереключателей и их энергопотребление неуклонно растет – хотя и не с постоянной скоростью (тренд AMD выглядит как линейная функция, но не забывайте, что это логарифмический масштаб).

Оба тренда возрастают нелинейно, но темпы роста с каждым годом замедляются. Эта связь между плотностью транзисторов и TDP чипа объясняется тем, что новые чипы выпускаются на базе усовершенствованных техпроцессов. Под этим термином обычно подразумевают технологический метод серийного производства полупроводниковых кристаллов и микросхем. Каждый новый техпроцесс обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с предыдущим: более высокая плотность, меньшее энергопотребление, большая производительность и т.д.

Не все из этих усовершенствований могут быть применены одновременно, но в случае графических процессоров это позволяет производителям создавать потрясающие чипы с исключительными вычислительными возможностями и все-таки приемлемым энергопотреблением.

Например, если бы графические чипы Navi 21 изготавливались на базе того же техпроцесса, что и R520, их энергопотребление ушло бы в район киловатт. Так что, даже если текущие уровни энергопотребления выглядят довольно высокими, все могло бы быть еще хуже.

Также, кроме удержания энергопотребления в рамках адекватности, новые техпроцессы и графические архитектуры несут с собой и другие преимущества.

Вычислительная мощность, приходящаяся на единицу потребляемой электрической или выделяемой тепловой мощности, во всех топовых моделях GPU непрерывно возрастает, и темпы этого роста не перестают удивлять, с тех самых пор, как появились первые графические схемы с унифицированными шейдерами (2006 г.).

Из сопоставления приведенных выше графиков видно, что если показатели TDP с 2006 года выросли на 102%, то соответствующие показатели вычислительной мощности FP32 (гигафлопс/ватт) выросли на 5700%.

Хотя вычислительная мощность FP32 не является определяющей характеристикой видеокарты, это один из наиболее важных показателей для гейминга и 3D-графики. Сегодня мы имеем игры с потрясающей графикой и поддержкой суперпродвинутых технологий, потому что лучшие видеокарты с большими и сложными GPU в состоянии все это обеспечить.

Но даже при том, что современные графические процессоры усовершенствовались как никогда ранее и уровни их энергопотребления не так высоки, как могло бы быть, в целом энергопотребление все-таки растет. Даже ультрабюджетные видеокарты, которые обычно потребляли 30 Вт и менее, за последние несколько лет значительно увеличили свои номинальные TDP.

Если кто-то захочет купить видеокарту Nvidia, питающуюся только от одного слота PCI Express, то вся линейка Ampere фактически проходит мимо. Карта GeForce RTX 3050 имеет TDP 100 Вт, а поскольку вышеупомянутый слот рассчитан максимум на 75 Вт, для подключения этой карты потребуется дополнительный коннектор питания.

Карты этой категории, как и их намного более мощные собратья, тоже обладают более высоким вычислительным потенциалом, чем ранее, но у тех, кто собирает компьютеры с минимальным энергопотреблением, становится все меньше опций для выбора, когда речь идет о видеокартах.

И нет никаких предпосылок для того, чтобы хотя бы темпы роста энергетических запросов графического сегмента начали снижаться, не говоря уже о снижении собственно потребляемой мощности. Например, новейшую кампанию Intel по завоеванию рынка дискретной графики силами серии Arc в настоящее время возглавляет карта A770.

Эта карта может похвастаться графическим чипом с 21.4 млрд транзисторов, 16 гигабайтами памяти GDDR6 и TDP 225 Вт. Хотя она ориентирована на средний ценовой сектор, по уровню энергопотребления она соответствует мощнейшим чипам AMD и Nvidia четырехлетней давности.

Карты средней категории GeForce и Radeon немного экономичнее: RTX 3060 потребляет 170 Вт, RX 6600 XT – 160 Вт, но рост энергопотребления наблюдается во всех категориях, и гораздо более существенный, чем в сегменте CPU.

Если бы не параллельное совершенствование полупроводниковых технологий, показатели энергопотребления были бы намного выше, это очевидно, но основной вопрос здесь следующий – не потребляют ли современные CPU и GPU слишком много энергии для того полезного выхода, который они предлагают.

Слишком много – это сколько?

С ростом энергопотребления процессоров и видеокарт связаны две основные проблемы: увеличение, во-первых, счета за электричество, во-вторых – тепловыделения компьютера. Начнем с первого.

Возьмем для примера продвинутый игровой компьютер, укомплектованный самыми высококлассными компонентами, которые вы можете себе позволить по деньгам: допустим, у вас стоит процессор AMD Ryzen 9 5950X и видеокарта Nvidia GeForce RTX 3090 Ti с небольшим разгоном.

Конечно, компьютер включает в себя и другие компоненты (как минимум, материнскую плату, некоторое количество оперативной памяти и накопитель), но мы здесь не будем их рассматривать, поскольку все эти компоненты в совокупности потребляют намного меньшую мощность, чем процессор или видеокарта. Итак, какую мощность потребляет такой компьютер в разгар какой-нибудь динамичной игры с современной 3D-графикой? Как вам показатели в районе 670-700 Вт?

Теперь представьте, что вы используете компьютер в таком режиме по 2 часа ежедневно в течение года. За это время ваш компьютер наработает примерно на 500 киловатт-часов (0.7 кВт x 2 ч x 365 дней в году) – это эквивалентно энергии, которую потребил бы 1.5-киловаттный электрический чайник, работая непрерывно в течение почти двух недель.

В зависимости от региона вашего проживания и установленных в нем тарифов на электричество использование компьютера в таком режиме может обойтись вам где-то от $70 до $280 в год (не считая дополнительных налогов и сборов).

Но по сравнению со стоимостью самого компьютера, которая может составлять несколько тысяч долларов, это сравнительно немного. Взяв большее значение потребляемой мощности, получим, что в части электричества час гейминга на нашем ПК обходится всего в 38 центов.

Теперь рассмотрим самый неблагоприятный с энергетической точки зрения сценарий, когда в компьютере используется самая «прожорливая» на сегодняшний день комбинация CPU и GPU: процессор Intel Core i9-13900K и видеокарта, показанная на рисунке выше. Если оба эти компонента будут работать на своих максимальных заводских лимитах мощности, час игры в Doom с разрешением и настройками из предыдущего примера будет стоить около 50 центов – не очень много.

Вы можете возразить, что 50 центов за час гейминга – это все-таки многовато, и миллионы пользователей во всем мире с вами согласятся. Но вряд ли они играют на таких компьютерах.

Игровые консоли более популярны, чем игровые ПК, если судить по количеству экземпляров, отгружаемых ежегодно, и они содержат намного менее мощное «железо», чем в вышеприведенных примерах. Но и энергетические запросы у них скромнее: устройство типа Microsoft Xbox серии X во время активного геймплея потребляет всего 153 Вт.

Даже если вы подключите консоль к большому OLED-телевизору, который увеличит общее энергопотребление еще на 100 Вт, в совокупности эти два устройства все равно будут потреблять на 44% меньшую мощность, чем одна видеокарта GeForce RTX 4090. Поэтому, если стоимость электроэнергии представляет для вас реальную проблему, консоли могут стать хорошей альтернативой игровым ПК.

Конечно, даже для гейминга необязательно использовать новейшие и/или самые мощные компьютерные компоненты. Многие старшие и менее высококлассные модели потребляют умеренную мощность и при этом предлагают довольно приличную производительность.

Подержанные видеокарты Radeon RX 5700 XT, GeForce RTX 2060 Super или даже GeForce GTX 1080 Ti еще вполне работоспособны, и все три имеют TDP 250 Вт или меньше.

В общем, объявлять рост энергопотребления проблемой только на основании стоимости электричества – несколько поверхностно: слишком много зависит от региональных тарифов, игровых стилей, настроек и т.д., чтобы можно было дать однозначное заключение на этот счет.

Но как обстоят дела с нагревом компонентов?

Как уже отмечалось в начале статьи, каждый потребляемый джоуль электроэнергии практически полностью переводится в тепло, рассеиваемое в окружающем пространстве благодаря процессам конвекции.

Компьютер общей мощностью 900 Вт теоретически может нагреть 28 кубометров окружающего воздуха с 20 до 40 градусов Цельсия всего за 17 минут. Это, конечно, верно только для случая идеальной теплопередачи и полной изоляции указанного объема, без возможности перемещения нагретого воздуха за его пределы.

Но, хотя в реальности нагрев происходит не так быстро, все выделяемое компьютером тепло в конце концов передается окружающей среде, с большей или меньшей скоростью.

Вентиляторы системы охлаждения, независимо от их производительности, ничего не меняют в этой ситуации – они просто способствуют отводу тепла непосредственно от компонентов ПК. Единственный способ охладить помещение – это обеспечить выход нагретого воздуха куда-нибудь в другое место и/или приток холодного воздуха извне – например, открыть окно.

Если вы собираетесь потратить деньги на самые мощные процессор и видеокарту, какие только позволит ваш бюджет, готовьтесь к тому, что эти компоненты будут заметно подогревать вашу игровую комнату.

Но, как и в случае счетов за электричество, это вопрос достаточно индивидуальный – для кого-то 900 Вт могут стать проблемой, а кто-то в такой обстановке будет чувствовать себя вполне комфортно.

Потребности большинства перевешивают

Итак, может показаться, что проблемы стоимости электроэнергии и подогрева окружающей среды носят преимущественно индивидуальный характер, однако в масштабах всего мира возрастает их общая значимость.

В мире используются миллионы компьютеров, и хотя область применения чипов мощностью 250 Вт и более относительно невелика, в будущем на смену всем этим машинам придут компьютеры с более «прожорливыми» компонентами, чем те, которые мы имеем сегодня.

Чтобы лучше представлять себе общую ситуацию, обратите внимание, что за один и тот же отчетный период в мире было продано 17 миллионов консолей Xbox серии X и 50 миллионов консолей Xbox One. Первые потребляют примерно на 90 Вт больше, чем вторые.

Если предположить, что все старшие устройства (Xbox One) в перспективе будут заменены более новыми (Xbox серии X), то суммарное энергопотребление и, соответственно, тепловыделение игровых консолей увеличится на 3 гигаватта (ГВт). Конечно, все эти машины не будут работать одновременно, но дополнительную мощность будут потреблять не только эти консоли.

Новыми процессорами оснащаются ноутбуки, настольные ПК, рабочие станции, серверы, и весь этот парк увеличит свое энергопотребление – на единицы или сотни ватт. Что, в свою очередь, означает, что энергетическая отрасль рано или поздно столкнется с такими высокими требованиями, которые она не в состоянии будет удовлетворить.

Это произойдет в любом случае, поскольку население и экономика растут – рост энергопотребления полупроводниковых устройств просто является одной из составляющих этой проблемы.

Даже с учетом того, что на рынке ПК за последние годы наметился небольшой спад, другие сегменты, такие как «интернет вещей» (Internet of Things, IoT), области применения искусственного интеллекта (ИИ) и аналитика больших данных, напротив, демонстрируют бодрые темпы роста.

В сегментах ИИ и дата-аналитики широко используются высокопроизводительные графические ускорители вычислений (корпоративные GPU), и если новые компоненты этого класса не покажут тенденцию к более умеренному энергопотреблению, эти отрасли еще более приблизят энергетическую ситуацию к критической.

По оценкам некоторых экспертов, к 2050 году мировое потребление электроэнергии вырастет в три раза по сравнению с текущим, ежегодно увеличиваясь на 3-4%. Хотя неизвестно, учитывался ли в этих прогнозах рост энергопотребления процессоров.

Мировое производство электроэнергии за период с 2005 по 2021 гг. выросло с 18 до 28 петаватт (1 ПВт = 1000000 ГВт), то есть на 56% за 16 лет. И этот рост целиком и полностью обусловлен растущими энергетическими потребностями. Рост энергопотребления полупроводниковых компонентов здесь является просто весомым дополнительным слагаемым в перспективе ближайших десятилетий.

Можно ли с этим что-то сделать?

На каждом отдельно взятом компьютере обычно доступно множество опций, которые можно попробовать применить, чтобы снизить энергопотребление наиболее требовательных в этом аспекте компонентов ПК. Применительно к процессорам большинство материнских плат предлагает различные опции управления питанием CPU, включение которых в BIOS позволяет снизить энергопотребление процессора в режиме без нагрузки.

В 1996 году появился стандарт ACPI (Advanced Configuration and Power Interface, усовершенствованный интерфейс управления конфигурацией и питанием), который с тех пор регулярно обновляется. В настоящее время ACPI поддерживают все пользовательские процессоры, и с точки зрения энергопотребления наибольшее значение в нем имеют две группы состояний: состояния производительности (P-состояния) и состояния процессора (C-состояния).

Первые определяют доступные уровни производительности (от максимального до минимального), и, когда в BIOS включена одна из этих опций (не максимальная), чип CPU в целях энергосбережения работает с меньшей тактовой частотой и напряжением. C-состояния со своей стороны определяют, что может делать процессор в режиме пониженного энергопотребления (например, держать в кэше оперативные данные или полностью очищать и отключать кэш).

Для процессоров AMD, начиная с 3000-й серии Ryzen, в приложении Ryzen Master доступна опция Eco Mode, которая переводит процессор в режим значительно меньшей мощности, чем номинал TDP, независимо от того, какая опция ACPI при этом включена.

Что касается влияния режима пониженного энергопотребления на производительность, то оно может быть на удивление незначительным, в зависимости от конкретной системной конфигурации и типовых единиц измерения производительности (например, fps).

Пользователи процессоров Intel могут добиться аналогичного эффекта, зайдя в настройки BIOS и открыв раздел Internal CPU Power Management (доступен не для всех моделей CPU).

В этом разделе можно вручную понизить установленные по умолчанию значения PL1 и PL2, хотя в BIOS различных материнских плат эти лимиты мощности могут обозначаться по-разному. Например, на платах Asus лимиты PL1/ PL2 называются соответственно Long/ Short Package Duration Limit.

Аналогичным образом можно настроить и видеокарту, например, через приложение MSI Afterburner. Это приложение позволяет регулировать доступный лимит мощности видеокарты путем установки нужного уровня в процентах от максимального.

Например, максимальный (100%) лимит мощности видеокарты Nvidia RTX 2080 Super составляет 250 Вт. Понизив его до 70%, можно ограничить энергопотребление видеокарты уровнем 175 Вт. Конечно, производительность карты при этом тоже понизится, но, как и в случае включения опции Ryzen Eco Mode, не настолько, как можно было бы подумать.

Аналогичных результатов можно добиться, понизив напряжение ядра GPU, что обычно подразумевает также снижение тактовой частоты. В качестве альтернативного решения можно применить опцию ограничения частоты кадров в самой игре (если таковая предлагается), что тоже приведет к снижению фактического энергопотребления.

Однако самый простой, наглядный и надежный способ – это регулировка лимита мощности с помощью обычного слайдера программной настройки.

Мы провели блиц-тестирование различных задаваемых в настройках уровней лимита мощности GPU на примере игры Shadow of the Tomb Raider с вышеупомянутой видеокартой (RTX 2080 Super) и процессором Intel Core i7-9700K. Игровое разрешение – 4K, профиль детализации – максимальный, DLSS – включено в режиме приоритета качества изображения (Quality), рейтрейсинг – выключен.

Как ни странно, снижение доступного лимита мощности вдвое (на 50%) привело к снижению средней частоты кадров всего на 10% (в выборке худших результатов частота кадров упала менее чем на 5%), но здесь также нужно отметить, что эта игра относится к CPU-зависимым.

Использование DLSS, безусловно, помогло, улучшить результаты, поскольку рендеринг осуществлялся на гораздо более низком разрешении, чем 4K, но скорость рендеринга все равно была максимально высокой, то есть графический процессор, так или иначе, выбирал весь доступный лимит мощности.

Понятно, что аналогичные результаты, получаемые в различных играх на разных аппаратных конфигурациях, будут различаться, но вот еще два примера: в Red Dead Redemption 2 (разрешение 1440p, максимальные настройки детализации) снижение лимита мощности на 50% привело к снижению средней частоты кадров на 15%, а в Far Cry 6 – всего на 7%.

Напрашивается простой вопрос – зачем производители «железа» устанавливают такие высокие лимиты мощности, если, по всей видимости, без этого вполне можно обойтись?

Наиболее вероятная причина – маркетинговый статус продукта. И AMD, и Intel, и Nvidia хотят максимально подчеркнуть характеристики производительности своих моделей, особенно топовых.

Эти продукты позиционируются как лучшее из того, что вы можете купить: чипы проходят специальную сортировку (биннинг), в результате чего отбираются экземпляры, способные работать на максимальных расчетных тактовых частотах – при достаточном энергообеспечении.

Но это приводит к ситуациям наподобие той, которая получилась с картами GeForce RTX 3090 Ti и просто 3090: у первой TDP на 100 Вт (или на 29%) выше, чем у второй, но, как показывают результаты тестов, в играх – даже на разрешении 4K – более мощная карта обеспечивает прибавку к скорости всего лишь около 10%.

Поскольку все ведущие производители хотят продавать максимум работоспособных кристаллов – под тем или иным наименованием, модели чипов из разряда "на несколько процентов быстрее" никуда не денутся, но при этом разработчики могут, по крайней мере, снизить заводские лимиты мощности выпускаемых электронных компонентов.

Производителям железа нужно повышать энергетическую эффективность чипов эффективнее

Такие фирмы, как AMD, активно продвигают свои продукты в аспекте «энергетической эффективности» (производительность на ватт потребляемой мощности), которая часто входит в число ключевых маркетинговых пунктов. Например, графическая архитектура AMD следующего поколения, RDNA 3, обещает заметный прогресс в этой области. Однако это не означает, что видеокарты Radeon RX 7000-й серии вдруг резко снизят свои характеристики TDP.

Выпуская поколение RDNA 2, AMD подчеркивала, что эти карты имеют на 65% большую энергетическую эффективность по сравнению с предыдущей архитектурой. Тем не менее, TDP карты RX 6800 составляет 300 Вт.

Тесты подтверждают заявленные AMD показатели энергетической эффективности – производительность, приходящаяся на ватт мощности, действительно стала намного больше – но это не отменяет того факта, что более быстрый рендеринг требует дополнительных энергетических затрат.

И здесь можно заметить, что производителям было бы намного проще снизить энергетические требования для своих продуктов, установив, например, режим вроде Eco Mode по умолчанию.

Производители могут ответить, что они к этому уже готовы, и привести в пример различные скоростные режимы работы чипов (как то – Turbo Mode, Boost Clock, Gaming Clock) и значительное снижение напряжений в режиме без нагрузки.

Но когда Intel выпускала свои настольные процессоры 12-го поколения Core, пресс-релиз был насыщен перечислениями всевозможных показателей производительности, но только в одном разделе компания рискнула упомянуть о потребляемой мощности.

Новая гибридная схема CPU, сочетающая в одном кристалле две разные архитектуры, была очевидно прогрессивной по отношению к аналогам 11-го поколения. Как видно из вышеприведенного слайда, в Intel могли бы установить для 12-го поколения TDP 95 Вт и PL2 125 Вт – производительность при этом все равно была бы выше, чем в предыдущем поколении.

Вместо этого они оставили предыдущие лимиты мощности и только «скостили» порядка 10 Вт со значения PL2. И все это ради того, чтобы получить продукт, который в определенных тестах будет опережать конкурирующие аналоги на какие-то несколько процентов.

Конечно, вы не обязаны покупать эти чипы, но когда придет время для апгрейда или просто покупки нового компьютера или консоли, вам, скорей всего, придется согласиться на эти предложения, которые потребляют как самолет, а прибавку к скорости имеют как у паровоза. Потому что более старые модели уже будут сняты с производства.

И хотя отрегулировать лимиты мощности CPU и GPU сравнительно легко, это не совсем то, чем должен заниматься конечный пользователь.

Люди в целом пересматривают свои перспективы в части производства и потребления энергии и влияния этих аспектов на мировую экономику и экологию. Хотя все заголовки оккупируют топовые продукты со своими гигантскими энергетическими запросами, реальное значение имеет устойчивый рост энергопотребления во всем полупроводниковом сегменте.

На это можно возразить, что очень многие производители полупроводниковой продукции придерживаются «классической» установки, идущей вразрез с современными тенденциями, а именно – получить максимально возможную производительность и обойти конкурентов любой ценой.

Тем не менее, свет в конце тоннеля все-таки заметен. Apple, например, почти целиком перевела свои линейки Mac и MacBook на собственные процессоры M1/M2. Эти комбинированные процессоры, включающие в себя CPU- и GPU-компоненты, были разработаны в расчете на максимально возможную энергетическую эффективность и по производительности соответствуют уровню процессоров x86, предлагаемых AMD и Intel, потребляя при этом существенно меньшую мощность (за исключением гейминга).

Серверы и рабочие станции пока оснащаются в основном процессорами Intel Xeon и AMD Epyc, но энергетически эффективная архитектура Arm, взятая на вооружение Apple, постепенно проникает и в этот сегмент. Крупные облачные провайдеры уже начинают использовать серверы на процессорах Ampere Altra.

Изменения происходят – медленно, со скрипом, но происходят. Возможно, пройдет много лет, прежде чем мы увидим новые процессоры с меньшими энергетическими запросами, чем у их предшественников, но отрасль все-таки двигается к этой цели.

А пока, на уровне отдельных пользователей, у нас есть простой выбор: принимать энергетические требования новейших аппаратных компонентов и использовать их как есть (с заводскими настройками или пользуясь опциями регулировки лимитов мощности), или же посоветоваться со своим кошельком и сообщить производителям компьютерного железа, что платить за сотни ватт потребляемой процессорами мощности нам не по карману.