Cứ sau vài năm, một thế hệ bộ xử lý máy tính mới lại được ra mắt. Trong một thời gian dài, CPU dường như giữ nguyên mức công suất, trong khi GPU chỉ tăng một lượng tương đối nhỏ. Nhưng ngày nay, có vẻ như các mẫu máy cao cấp nhất từ tất cả các nhà cung cấp đang tung ra các mẫu máy yêu cầu lượng điện năng khổng lồ.
250W cho CPU và 450W cho GPU có quá cao không? Các nhà sản xuất có quan tâm đến điều này không? Trong bài viết này, chúng ta sẽ bóc tách các tấm tản nhiệt để xem xét sự thật đằng sau những con số về sức mạnh và xem chính xác chuyện gì đang xảy ra.
CPU và GPU được phân loại là Mạch tích hợp quy mô rất lớn (VLSI) – tập hợp khổng lồ các bóng bán dẫn, điện trở và các thành phần điện tử khác, tất cả đều có kích thước siêu nhỏ.
Những con chip như vậy cần dòng điện chạy qua chúng để thực hiện các nhiệm vụ mà chúng được thiết kế để thực hiện. Các đơn vị logic số học thực hiện toán học bằng cách chuyển đổi một loạt các bóng bán dẫn, để thay đổi các điện áp khác nhau ở những nơi khác trong mạch.
Bộ xử lý hiện đại sử dụng một loại bóng bán dẫn gọi là FinFET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường Fin). Hãy nghĩ về những thứ này giống như một cây cầu giữa hai hòn đảo, nơi áp dụng một điện áp nhỏ làm giảm đường, cho phép dòng điện chạy từ nơi này sang nơi khác.
Rõ ràng, điều này liên quan đến một dòng điện đi qua các đảo và qua cầu, do đó cần có năng lượng điện – không có nó, các con chip đơn giản là sẽ không làm được gì cả. Nhưng tại sao chúng lại nóng lên?
Thật không may, tất cả các thành phần này đều có khả năng chống lại dòng điện này. Số lượng thực tế là rất nhỏ, nhưng với số lượng bóng bán dẫn trong CPU và GPU lên tới hàng tỷ, hiệu ứng tích lũy là rất rõ rệt.
Một CPU điển hình có thể chỉ có tổng điện trở trong khoảng một chục milliohms, nhưng một khi nó có dòng điện 80A trở lên chạy qua, năng lượng tiêu hao do điện trở sẽ trên 90 joules mỗi giây (hoặc watt, W) .
Năng lượng đó được truyền tới các vật liệu tạo nên toàn bộ con chip, đó là lý do tại sao mọi bộ xử lý đều nóng lên trong khi hoạt động. Những con chip lớn cần được làm mát tích cực để ngăn nhiệt độ của chúng tăng quá cao, vì vậy tất cả lượng nhiệt đó cần phải được chuyển đi nơi khác.
Có những yếu tố khác ảnh hưởng đến lượng nhiệt tiêu tán, chẳng hạn như rò rỉ dòng điện, nhưng nếu bộ xử lý đang ‘mất’ năng lượng (ở dạng nhiệt), thì nó sẽ cần phải liên tục ‘tiêu thụ’ năng lượng đó để duy trì hoạt động.
Nói cách khác, lượng nhiệt bị mất gần như giống với định mức công suất của chip. Vì vậy, hãy bắt đầu bằng cách xem xét bộ xử lý trung tâm và xem các yêu cầu về năng lượng của chúng đã thay đổi như thế nào trong những năm qua.
Trong nhiều năm, các nhà cung cấp CPU đã công bố mức tiêu thụ điện năng của bộ vi xử lý của họ thông qua một con số đơn giản: Công suất thiết kế nhiệt hoặc TDP. Thật không may, con số này đã trải qua nhiều định nghĩa khác nhau khi các thiết kế chip đã phát triển.
Định nghĩa hiện tại của Intel là:
“Mức tiêu hao năng lượng trung bình theo thời gian mà bộ xử lý được xác thực là không vượt quá trong quá trình sản xuất khi thực hiện khối lượng công việc có độ phức tạp cao do Intel chỉ định ở Tần số cơ bản và ở nhiệt độ đường giao nhau tối đa”
Nói cách khác, nếu CPU Intel của bạn có tần số cơ bản là 3,4 GHz và nhiệt độ tối đa là 95 °C (203 °F), thì định mức công suất của nó sẽ bằng với TDP miễn là chip hoạt động ở các giới hạn đó.
Vì vậy, chúng ta hãy xem một số ví dụ về CPU trong 17 năm qua. Chúng tôi đã chọn những mẫu máy tính để bàn ngốn nhiều điện năng nhất được phát hành mỗi năm trong khoảng thời gian đó, bỏ qua những mẫu máy tính để bàn và những thứ tương tự.
Ngoài một số trường hợp cá biệt, chẳng hạn như FX-9590 của AMD từ năm 2013 (với TDP là 220W!), CPU dường như rất nhất quán trong các yêu cầu về năng lượng của chúng.
Theo mệnh giá, có vẻ như không có dấu hiệu nào cho thấy họ ngày càng tham lam quyền lực, đây rõ ràng là một điều tốt. Những tiến bộ đạt được trong sản xuất chất bán dẫn, cũng như thiết kế mạch tích hợp tối ưu, phải là lý do cho điều này.
Vấn đề duy nhất với điều đó là hầu hết mọi CPU trên thị trường đều có thể chạy ở tốc độ cao hơn nhiều so với tần số cơ bản của nó. FX-9590 được đề cập ở trên có tần số cơ bản là 4,7 GHz, nhưng có thể tăng tốc độ xung nhịp lên tới 5,0 GHz. Vì vậy, những gì xảy ra sau đó?
Bạn có thể nghĩ rằng đó là một câu trả lời đơn giản: nó sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn, hút một lượng dòng điện cao hơn từ bo mạch chủ. Thật không may, không phải lúc nào cũng vậy, vì nó phụ thuộc vào cài đặt nào đã được bật trong BIOS của bo mạch chủ.
Cả Intel và AMD đều có một số tùy chọn, tất cả đều có thể được kích hoạt hoặc hủy kích hoạt (tùy thuộc vào việc có tùy chọn nào để làm điều đó trong BIOS hay không) sẽ cho phép CPU quản lý năng lượng và tần số của chính nó.
Gắn bó với Intel trong một thời điểm, hệ thống chính để thực hiện điều này được gọi là Công nghệ Turbo Boost. Đặt tên theo phong cách những năm 1980 sang một bên, chức năng này chủ động kiểm soát lượng điện năng mà CPU có thể tiêu hao cho một tải nhất định, trong một khoảng thời gian nhất định.
Các CPU của Intel thường có hai giới hạn công suất như vậy, PL1 (còn gọi là TDP) và PL2, mặc dù có nhiều giới hạn hơn…
Lưu ý cách đường cong công suất màu cam có thể tăng vọt lên mức cao hơn đáng kể so với mức PL1 và tăng lên mức PL2 trong một khoảng thời gian nhất định. Ở đây, CPU đang hoạt động trên tần số cơ bản của nó, nhưng không nhất thiết phải ở tốc độ xung nhịp tối đa.
Vì Intel tắt PL3 và PL4 theo mặc định, nên chúng ta có thể coi PL2 là mức tiêu thụ năng lượng tối đa thực tế của CPU – nó có thể chỉ trong vài giây (hoặc tùy thuộc vào cài đặt BIOS, nó có thể chạy như vậy mãi mãi), nhưng nó vẫn là công suất cao nhất có thể.
Vậy PL2 cao hơn PL1 bao nhiêu? Giá trị này dao động theo từng mẫu bộ xử lý mới, nhưng chúng ta hãy xem xét những mẫu trong vài năm qua trong biểu đồ TDP của chúng tôi ở trên.
Bảy năm trước, với những sản phẩm như Core i7-8700K, chỉ có sự khác biệt 30W giữa PL1 và PL2, nhưng hiện tại nó đã hơn 100W – tăng gấp đôi yêu cầu về điện năng, trong một số trường hợp.
AMD không sử dụng các nhãn và định nghĩa giống như Intel, nhưng CPU của họ cũng có thể tiêu tốn nhiều năng lượng hơn giới hạn TDP.
Giới hạn trên được đưa ra dưới dạng Theo dõi công suất gói (PPT) – công suất tối đa mà CPU có thể tiêu tan dưới bất kỳ mức tải nhất định nào. Đối với tất cả bộ xử lý máy tính để bàn Ryzen có TDP từ 95W trở lên, PPT bằng 1,34 x TDP.
Vì vậy, có một điều đã rõ ràng: các CPU cao cấp chắc chắn đã tăng yêu cầu năng lượng tối đa tuyệt đối của chúng trong vài năm qua, mặc dù TDP tương đối tĩnh.
Tuy nhiên, các nhà cung cấp bo mạch chủ làm cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn bằng cách ghi đè các hạn chế về thời gian và giới hạn năng lượng mặc định của Intel, đồng thời đặt các giá trị của riêng họ trong BIOS. Nói cách khác, CPU trong một bo mạch chủ có thể đạt tối đa 120W, nhưng lại đạt 200W trong một bo mạch chủ khác.
Nhưng chúng ta nên đánh giá vào thời điểm này, vì tất cả các số liệu được hiển thị cho đến nay đều dành cho các kiểu máy cao cấp nhất – những kiểu máy có tốc độ xung nhịp cao nhất và số lượng lõi nhiều nhất.
May mắn thay, các CPU tầm trung và ngân sách đã thay đổi rất ít, đơn giản vì chúng luôn có ít lõi hơn nhiều so với các sản phẩm dừng hiển thị.
Xuống cuối thị trường CPU máy tính để bàn, Core i3-12100F phổ biến của Intel có TDP là 58W (và PL2 là 89W), trong khi Ryzen 3 4100 của AMD được đánh giá có TDP là 65W – khá giống với những sản phẩm đó dòng đã luôn luôn được.
Tuy nhiên, Ryzen 7600X tầm trung mới nhất của AMD có TDP là 105W, cao hơn 40W so với người tiền nhiệm ngay lập tức của nó, 5600X. Và Core i5-12600K của Intel có TDP của chip cao cấp: 125W.
Tất cả những điều này chỉ ra rằng có một sự gia tăng rõ ràng về mức tiêu thụ điện năng, chủ yếu là đối với các mẫu máy cao cấp nhất nhưng không chỉ như vậy. Nếu bạn muốn một CPU có nhiều lõi nhất và tốc độ xung nhịp cao nhất, thì sẽ có một nhu cầu năng lượng đáng kể đi kèm với nó.
Thật không may, những người muốn nâng cấp lên sản phẩm tầm trung mới nhất cũng có thể phải chấp nhận mức tăng năng lượng đáng chú ý.
Trong khi các CPU khá yếu về mặt sức mạnh, thậm chí còn tính đến việc tăng giới hạn tối đa gần đây, thì có một con chip trong máy tính để bàn ngày càng lớn hơn và “ngốn” hơn với mỗi thế hệ mới. Cho đến nay, chip xử lý đồ họa (GPU) là thiết bị bán dẫn lớn nhất và phức tạp nhất mà hầu hết mọi người sẽ sở hữu, xét về số lượng bóng bán dẫn, kích thước khuôn và khả năng xử lý.
Mức độ trung thực của đồ họa trong các trò chơi ngày nay ở quy mô mà 17 năm trước chỉ có thể mơ tới, nhưng chi phí năng lượng cho tất cả các đa giác, kết cấu và pixel đó khiến CPU trông nhẹ hơn khi so sánh.
Chúng tôi đã làm điều tương tự trong biểu đồ này, giống như chúng tôi đã làm cho CPU – lấy các cạc đồ họa cấp tiêu dùng đòi hỏi nhiều năng lượng nhất từ các nhà cung cấp hàng đầu, cho mỗi năm.
Những thứ như Ryzen 9 7950X của AMD có thể đạt công suất tối đa 230W, nhưng các GPU cao cấp đã tiêu hao mức công suất đó gần 15 năm trước.
Và như biểu đồ cho thấy, có rất ít dấu hiệu cho thấy xu hướng các card đồ họa mạnh nhất yêu cầu lượng điện năng cao hơn bao giờ hết sẽ giảm đi, vì xu hướng của cả hai nhà cung cấp rõ ràng là không giảm, mặc dù mối tương quan không mạnh lắm.
Với việc Nvidia ra mắt GeForce RTX 4090, tự hào với con chip có 76 tỷ bóng bán dẫn và TDP là 450W, thanh này đã có một bước nhảy vọt đáng kể.
Vì vậy, các nhà cung cấp GPU có thực sự không bận tâm về các yêu cầu năng lượng không?
Biểu đồ trên cho thấy các chip tương tự như trước đây đã thay đổi quy mô như thế nào về số lượng bóng bán dẫn được đóng gói trong mỗi milimet vuông của khuôn, so với TDP của cạc đồ họa.
Thang mật độ khuôn là logarit vì đã có một bước nhảy vọt về mật độ trong những năm gần đây – một thang tuyến tính sẽ có hầu hết tất cả các điểm dữ liệu được đóng gói trong một vùng nhỏ.
Chúng ta có thể thấy rằng khi GPU tích hợp ngày càng nhiều công tắc có kích thước nano vào mạch của chúng, yêu cầu về năng lượng đã tăng đều đặn – nhưng không phải là một cách liên tục (vâng, dòng AMD nhìn thẳng, nhưng hãy nhớ thang log).
Các xu hướng phi tuyến tính đều đang gia tăng nhưng bản thân tốc độ gia tăng đã giảm đi mỗi năm. Mô hình giữa mật độ và TDP này phụ thuộc vào việc các nhà cung cấp phát hành chip mới được sản xuất trên một nút quy trình được cải tiến.
Đây là tên được đặt cho phương pháp chế tạo được sử dụng bởi một xưởng đúc chất bán dẫn để sản xuất chip. Mỗi nút mới cung cấp nhiều lợi ích khác nhau so với nút trước đó: mật độ cao hơn, công suất thấp hơn, hiệu suất tốt hơn, v.v.
Không phải tất cả những cải tiến này đều có thể được áp dụng cùng một lúc, nhưng trong trường hợp GPU, nó đã cho phép các nhà cung cấp tạo ra những bộ xử lý thực sự khổng lồ, với mức độ xử lý số vượt trội, đáp ứng yêu cầu năng lượng hợp lý.
Ví dụ: nếu Navi 21 được chế tạo bằng cách sử dụng cùng một nút như nút được sử dụng cho R520, thì công suất cần thiết sẽ chạy tốt trong vùng kW. Vì vậy, mặc dù mức năng lượng hiện tại khá cao, nhưng chúng có thể tồi tệ hơn nhiều.
Và những lợi ích mà các nút quy trình và thiết kế GPU mới mang lại không chỉ đơn thuần là giảm mức năng lượng.
Khả năng tính toán, trên mỗi đơn vị điện năng, của tất cả các GPU cao cấp nhất đã tăng gần như liên tục, với tốc độ đáng kinh ngạc, kể từ khi các mô hình đổ bóng hợp nhất đầu tiên xuất hiện vào năm 2006.
Nếu lấy những con số trên, mức tăng TDP trung bình kể từ năm 2006 là 102%, trong khi mức tăng hiệu suất trên mỗi watt của FP32 là một con số đáng kinh ngạc 5.700%.
Mặc dù thông lượng xử lý của FP32 không phải là chất lượng xác định của cạc đồ họa, nhưng đây là một trong những khả năng quan trọng nhất để chơi game và đồ họa 3D. Ngày nay, chúng tôi chỉ có các trò chơi có đồ họa và tính năng đáng kinh ngạc, bởi vì các GPU tốt nhất ngày càng lớn hơn và phức tạp hơn.
Nhưng ngay cả khi bộ xử lý đồ họa tốt hơn bao giờ hết và mức năng lượng của chúng thực sự không tệ đến mức có thể, thì mức tiêu thụ năng lượng của chúng vẫn tăng lên. Ngay cả những GPU siêu tiết kiệm, thường sử dụng 30W hoặc thấp hơn, cũng đã thấy TDP tăng đáng kể trong vài năm qua.
Nếu một người muốn mua một card đồ họa Nvidia có thể sử dụng tất cả dòng điện của nó chỉ qua khe cắm PCI Express, thì toàn bộ kho Ampere cần phải được bỏ qua một cách hiệu quả. GeForce RTX 3050 có TDP là 100W và do khe cắm có giới hạn là 75W nên cần có thêm đầu nối nguồn.
Những thẻ như vậy, giống như những người anh em lớn hơn nhiều của chúng, có sức mạnh xử lý lớn hơn rất nhiều so với trước đây, nhưng đối với những người muốn xây dựng hệ thống năng lượng cực thấp, ngày càng có ít lựa chọn hơn khi nói đến cạc đồ họa.
Và dường như không có bất kỳ dấu hiệu nào cho thấy nhu cầu điện tăng chậm lại chứ chưa nói đến việc giảm. Ví dụ, bước đột phá mới nhất của Intel vào thị trường card đồ họa, dòng Arc, hiện đang dẫn đầu bởi A770.
Thẻ này có chip với 21,4 tỷ bóng bán dẫn, 16GB GDDR6 và TDP là 225W. Mặc dù nó được nhắm mục tiêu vào phân khúc tầm trung, nhưng nhu cầu năng lượng đó cũng giống như các chip lớn nhất của AMD và Nvidia từ bốn năm trước.
Nó tốt hơn một chút đối với thẻ GeForce và Radeon tầm trung, trong đó RTX 3060 yêu cầu 170W và RX 6600 XT tiêu thụ 160W, nhưng tất cả các lĩnh vực đều tăng nhu cầu năng lượng – cao hơn nhiều so với CPU.
Nếu không phải vì kỹ thuật tốt hơn thì nhu cầu rõ ràng sẽ cao hơn nhiều, nhưng một câu hỏi quan trọng thực sự cần trả lời ở đây là liệu CPU và GPU có yêu cầu quá nhiều năng lượng so với những gì chúng đang cung cấp hay không.
Hai trong số những lời phàn nàn phổ biến nhất về sự gia tăng nhu cầu năng lượng của CPU và GPU là chi phí điện năng và lượng nhiệt sinh ra – chúng ta hãy xem xét vấn đề trước để bắt đầu.
Giả sử bạn có một PC chơi game được chỉ định rất cao, được trang bị đầy đủ một số thành phần tốt nhất mà bạn có thể mua được bằng tiền. Cũng giả sử rằng bạn đang sử dụng AMD Ryzen 9 5950X, được hỗ trợ bởi Nvidia GeForce RTX 3090 Ti được ép xung nhẹ.
Đương nhiên, cũng sẽ có các bộ phận khác trong đó (ít nhất là bo mạch chủ, một số RAM và ổ lưu trữ), nhưng chúng ta có thể để chúng sang một bên vì mức tiêu thụ năng lượng kết hợp của chúng sẽ thấp hơn nhiều so với CPU hoặc GPU . Vì vậy, chiếc PC đó sẽ đòi hỏi loại sức mạnh nào khi chơi game bận rộn? Âm thanh từ 670W đến 700W như thế nào?
Bây giờ, hãy tưởng tượng rằng bạn sử dụng PC của mình theo cách này trong 2 giờ mỗi ngày, cho mọi ngày trong năm. Lượng năng lượng mà PC tiêu thụ sẽ vào khoảng 500 kWh (0,7 x 2 x 365) – tương đương với việc chạy không ngừng một ấm đun nước điện 1,5 kW trong gần hai tuần.
Tùy thuộc vào nơi bạn sống trên thế giới và mức giá bạn đang trả cho tiền điện của mình, việc sử dụng một chiếc PC như thế này có thể dao động trong khoảng từ đến 0 (không bao gồm thuế và phí bổ sung) mỗi năm.
Nhưng so với tổng chi phí của PC, có thể là vài nghìn đô la, thì đó là một số tiền tương đối nhỏ. Lấy giá trị cao hơn và tính ra tiền điện mỗi giờ chơi game chỉ tương đương 0,38 đô la mỗi giờ.
Trường hợp xấu nhất là máy tính có kết hợp CPU và GPU ngốn nhiều năng lượng nhất mà bạn có thể có ngay bây giờ (thẻ ở trên và Core i9-13900K của Intel), với cả hai đều chạy ở giới hạn năng lượng mặc định cao nhất, sẽ vẫn chỉ có giá khoảng 0,5 đô la mỗi giờ, cho cùng một thói quen chơi trò chơi.
Bạn có thể lập luận rằng 50 xu mỗi giờ chơi game là quá cao và đối với hàng triệu người trên thế giới, điều đó gần như chắc chắn đúng. Nhưng họ không có khả năng có một chiếc PC như vậy ngay từ đầu.
Bảng điều khiển gia đình phổ biến hơn PC chơi game, xét về số lượng đơn vị được xuất xưởng mỗi năm và chúng chứa phần cứng có khả năng kém hơn nhiều so với các ví dụ nêu trên. Nhưng về nhu cầu năng lượng, những thứ như Xbox Series X của Microsoft sẽ chỉ tiêu thụ 153W trong quá trình chơi trò chơi tích cực.
Ngay cả khi bạn tính đến một TV OLED lớn có thể bổ sung thêm 100W, thì hai thiết bị kết hợp sẽ thực sự sử dụng năng lượng ít hơn 44% so với riêng GeForce RTX 4090 . Vì vậy, nếu chi phí điện là một mối quan tâm thực sự, thì bảng điều khiển là một lựa chọn tốt để chơi game.
Tất nhiên, không phải bạn cần sử dụng các bộ phận PC mới nhất hoặc mạnh nhất để thưởng thức trò chơi. Có rất nhiều linh kiện cũ hơn hoặc tầm trung không có nhu cầu năng lượng quá cao mà vẫn mang lại nhiều hiệu suất.
Các card đồ họa Radeon RX 5700 XT, GeForce RTX 2060 Super hoặc thậm chí GeForce GTX 1080 Ti đã qua sử dụng vẫn rất có khả năng và cả ba đều có TDP 250W trở xuống.
Nói tóm lại, lập luận rằng việc tăng điện năng là một vấn đề, hoàn toàn là do giá điện, có phần tranh luận – phụ thuộc quá nhiều vào giá địa phương cho một đơn vị điện, thói quen chơi game, v.v. để giải quyết một cách thuyết phục cuộc tranh luận như vậy .
Nhưng còn cái nóng thì sao?
Như đã đề cập ở phần đầu của bài viết này, gần như mọi joule năng lượng điện cuối cùng đều bị tiêu tán dưới dạng nhiệt, được truyền ra môi trường chủ yếu thông qua cơ chế đối lưu.
Về lý thuyết, một chiếc máy tính có công suất 900W có thể tăng nhiệt độ của 1000 feet khối không khí (28 mét khối) từ 20°C/68°F lên 40°C/104°F chỉ trong 17 phút. Điều này tự nhiên giả định sự truyền nhiệt hoàn hảo và cách nhiệt hoàn hảo, không có sự di chuyển của không khí nóng hơn ra khỏi thể tích được đề cập.
Nhưng mặc dù nó không thực sự nhanh như vậy, nhưng trên thực tế, tất cả lượng nhiệt đó cuối cùng vẫn sẽ được truyền vào môi trường xung quanh PC, bất kể tốc độ truyền là bao nhiêu.
Quạt làm mát, bất kể số lượng hay hiệu suất của chúng, sẽ không thay đổi điều này, vì chúng chỉ giúp giảm nhiệt độ của các bộ phận. Cách duy nhất để giảm bớt sự gia tăng nhiệt của môi trường là cho phép không khí nóng di chuyển đi nơi khác, chẳng hạn như thông qua việc mở cửa sổ.
Nếu bạn đang có kế hoạch chi một khoản tiền lớn cho CPU và GPU mạnh nhất mà bạn có thể có, thì hãy chuẩn bị tinh thần rằng chúng sẽ thải một lượng nhiệt năng đáng kể vào phòng chơi game của bạn.
Cũng giống như khiếu nại về chi phí điện, đây cuối cùng là mối quan tâm của mỗi cá nhân – 900W nhiệt có thể là vấn đề kinh niên đối với người này nhưng lại hoàn toàn bình thường đối với người khác.
Vì vậy, có vẻ như những lo ngại về sản lượng nhiệt và chi phí điện là những vấn đề rất riêng lẻ. Tuy nhiên, tất cả trở nên quan trọng hơn nhiều khi được nhân rộng trên toàn cầu.
Có hàng triệu PC ngoài kia và mặc dù số lượng khu vực đóng gói chip 250W+ là tương đối nhỏ, nhưng cuối cùng tất cả các máy này sẽ được thay thế bằng các máy tính cung cấp các thành phần có nhu cầu điện năng cao hơn so với hiện tại.
Để hiểu được điều này, hãy xem xét rằng ước tính đã có khoảng 17 triệu máy Xbox Series X và 50 triệu máy Xbox One được bán trên toàn thế giới. Cái trước sử dụng nhiều năng lượng hơn khoảng 90W so với cái sau.
Nếu chúng ta giả định rằng tất cả các thiết bị cũ hơn đó được thay thế bằng các thiết bị mới hơn, thì nhu cầu năng lượng tích lũy sẽ tăng thêm 3GW và cuối cùng là nhiệt lượng tiêu tan. Rõ ràng, các máy này sẽ không chạy cùng một lúc, nhưng năng lượng bổ sung cần thiết không chỉ dành riêng cho bảng điều khiển này.
Khi các bộ xử lý mới ra mắt cho máy tính xách tay, máy tính để bàn, máy trạm và máy chủ, tất cả chúng sẽ cần nhiều năng lượng hơn, có thể là vài watt hoặc một trăm watt. Điều đó có nghĩa là ngành năng lượng sẽ phải đối mặt với nhu cầu ngày càng cao về khả năng cung cấp của nó.
Dù sao thì đây cũng sẽ là trường hợp do dân số và tăng trưởng kinh tế, nhưng vấn đề sẽ trở nên phức tạp hơn do sự gia tăng công suất bán dẫn này.
Ngay cả khi doanh số PC giảm như dự báo đã chỉ ra trong một số năm, vẫn có những lĩnh vực khác đang làm điều ngược lại: Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích dữ liệu lớn đều cho thấy rất nhiều sự phát triển.
Trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn sử dụng nhiều GPU cao cấp để thực hiện các tính toán cần thiết và nếu các thành phần mới cho các máy này không có dấu hiệu làm giảm nhu cầu năng lượng của chúng, thì những ngành này sẽ chỉ làm cho tình hình năng lượng trở nên tồi tệ hơn.
Nhu cầu điện, trên quy mô toàn cầu, được một số người ước tính là cao gấp 3 lần so với hiện nay, tăng 3 đến 4% mỗi năm vào năm 2050. Liệu những ước tính như vậy có giải thích cho sự gia tăng mức tiêu thụ năng lượng của bộ xử lý hay không vẫn chưa rõ ràng , mặc dù.
Kể từ năm 2005, ước tính sản lượng điện toàn cầu đã tăng từ 18 PWh (1 PWh = 1.000.000 GWh) lên 28 PWh vào năm 2021 – tăng 56% chỉ sau 16 năm. Và sự gia tăng đó hoàn toàn là do nhu cầu gia tăng. Sự tăng trưởng trong việc sử dụng chất bán dẫn sẽ chỉ bổ sung vào điều đó trong những thập kỷ tới.
Với tư cách cá nhân, có rất nhiều cách bạn có thể thử để giảm nhu cầu điện năng của các thành phần PC lớn nhất của mình. Trong trường hợp của CPU, phần lớn các bo mạch chủ có nhiều tùy chọn năng lượng khác nhau trong BIOS sẽ buộc bộ xử lý giảm mức tiêu thụ năng lượng khi không hoạt động.
Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) xuất hiện trên máy tính để bàn từ năm 1996 và liên tục được cập nhật kể từ đó. Giờ đây, tất cả các CPU tiêu dùng đều có các tính năng tuân thủ ACPI và về mức tiêu thụ điện năng, có hai tính năng đáng chú ý: trạng thái P và trạng thái C.
Cái trước đề cập đến trạng thái hiệu suất mà bộ xử lý đang hoạt động và khi được bật trong BIOS, cho phép chip chạy ở tần số và điện áp thấp hơn để tiết kiệm năng lượng. Trạng thái C làm điều tương tự nhưng kiểm soát những gì CPU có thể làm (ví dụ: duy trì dữ liệu trong bộ đệm hoặc xóa toàn bộ dữ liệu) trong khi chạy ở định dạng ít tốn điện hơn.
Đối với các bộ xử lý Ryzen mới hơn của AMD (sê-ri 3000 trở đi), việc bật Chế độ sinh thái trong phần mềm Ryzen Master của họ sẽ buộc bộ xử lý chạy với TDP thấp hơn đáng kể, không phụ thuộc vào bất kỳ tùy chọn ACPI nào được bật.
Tùy thuộc vào hệ thống được sử dụng và chỉ số hiệu suất được đo, tác động của việc sử dụng giá trị công suất thấp hơn có thể nhỏ một cách đáng ngạc nhiên.
Tùy thuộc vào hệ thống được sử dụng và chỉ số hiệu suất được đo, tác động của việc sử dụng giá trị công suất thấp hơn có thể nhỏ một cách đáng ngạc nhiên. Đối với người dùng CPU Intel, có thể đạt được điều tương tự bằng cách đi sâu vào cài đặt BIOS và tìm kiếm Quản lý năng lượng CPU bên trong (không phải kiểu máy nào cũng có).
Trong phần này, các giá trị cho PL1 và PL2 có thể được đặt thấp hơn giá trị mặc định, mặc dù chúng có nhiều khả năng được liệt kê dưới các tên khác nhau. Ví dụ: Asus sử dụng Giới hạn thời lượng gói dài/ngắn cho PL1/PL2.
Card đồ họa có thể được điều chỉnh theo cách tương tự bằng cách sử dụng phần mềm như MSI Afterburner. Ứng dụng này cho phép kiểm soát giới hạn công suất tối đa của thẻ, được đặt dưới dạng phần trăm và con số này có thể dễ dàng hạ xuống.
Ví dụ: RTX 2080 Super của Nvidia có giới hạn công suất 100% là 250W. Giảm mức này xuống 70% sẽ hạn chế mức tiêu thụ năng lượng của GPU xuống 175W. Đương nhiên, điều này cũng sẽ làm giảm hiệu suất của card, nhưng cũng giống như Chế độ sinh thái Ryzen, tác động không lớn như bạn nghĩ.
Điều tương tự có thể đạt được bằng cách hạ thấp điện áp lõi của GPU, do đó thường sẽ yêu cầu tốc độ xung nhịp cũng phải hạ xuống. Ngoài ra, nếu một trò chơi cung cấp tùy chọn giới hạn tốc độ khung hình, thì việc sửa nó ở giá trị thấp hơn cũng sẽ làm giảm nhu cầu điện năng.
Nhưng để đơn giản tuyệt đối, việc điều chỉnh giới hạn công suất, thông qua việc sử dụng một thanh trượt đơn giản, không thể bị đánh bại.
Chúng tôi đã chạy một số thử nghiệm nhanh, sử dụng Shadow of the Tomb Raider, với card đồ họa nói trên (RTX 2080 Super) và Intel Core i7-9700K. Độ phân giải của trò chơi được đặt thành 4K, với tất cả các chi tiết đồ họa được đặt thành giá trị tối đa, chế độ Chất lượng DLSS được bật nhưng tính năng dò tia bị tắt.
Có vẻ khó tin khi giảm 50% công suất tối đa khả dụng chỉ dẫn đến giảm 10% tốc độ khung hình trung bình (giá trị 1% Thấp giảm xuống dưới 5%) nhưng cũng đáng lưu ý rằng trò chơi này có khá nhiều tải CPU cao.
Việc sử dụng DLSS chắc chắn cũng đã giúp ích trong thử nghiệm này, vì trò chơi hiển thị ở độ phân giải thấp hơn nhiều so với độ phân giải được trình bày, nhưng GPU sẽ chỉ cố gắng hiển thị ở tốc độ nhanh hơn và vẫn đạt đến giới hạn công suất.
Rõ ràng, các trò chơi và thiết lập phần cứng khác nhau sẽ tạo ra kết quả khác với kết quả đã thấy ở trên, nhưng trong Red Dead Redemption 2 (1440p, chất lượng tối đa), việc giảm 50% giới hạn năng lượng sẽ giảm 15% tốc độ khung hình trung bình và cho Far Cry 6, mức giảm FPS chỉ là 7%.
Vì vậy, tất cả những điều này có thể đặt ra một câu hỏi đơn giản – tại sao các nhà cung cấp phần cứng lại đặt giới hạn công suất cao như vậy khi có vẻ như không cần thiết?
Lý do rất có thể là lý do liên quan đến tiếp thị và tình trạng sản phẩm. AMD, Intel và Nvidia cần các mô hình của họ được phân biệt rõ ràng nhất có thể, đặc biệt là ở cuối phạm vi hào quang.
Những sản phẩm này được coi là sản phẩm tốt nhất mà bạn có thể mua, vì vậy chip được sử dụng sẽ được chọn từ quy trình tạo thùng để tạo ra những chip có thể chạy ở tốc độ xung nhịp cao nhất nếu được cung cấp đủ năng lượng.
Nhưng điều này có thể dẫn đến các tình huống như đã thấy với GeForce RTX 3090 Ti – nó có TDP 100W cao hơn 3090 (cao hơn 29%), nhưng ngay cả ở 4K, thử nghiệm của chúng tôi chỉ cho thấy nó nhanh hơn khoảng 10% trong trò chơi.
Vì tất cả các nhà cung cấp lớn sẽ muốn bán mọi loại chip có thể được sản xuất cho họ, nên các mẫu “tốt hơn vài phần trăm” sẽ không biến mất, nhưng các nhà thiết kế chắc chắn có thể giảm nhu cầu điện năng.
Các nhà cung cấp như AMD quảng bá mạnh mẽ khía cạnh hiệu suất trên mỗi watt trong sản phẩm của họ và thường sử dụng nó như một điểm bán hàng chính. Ví dụ: đối với kiến trúc GPU dành cho máy tính để bàn tiếp theo của họ, RDNA 3, dự báo cải thiện là đáng kể. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là dòng card đồ họa Radeon RX 7000 sẽ đột ngột có TDP thấp hơn nhiều.
Đối với RDNA 2, AMD nhấn mạnh rằng nó có hiệu suất trên mỗi watt cao hơn tới 65% so với kiến trúc trước đó. Tuy nhiên, TDP của Radeon RX 6800 vẫn là 300W.
Thử nghiệm của riêng chúng tôi đã xác minh tuyên bố của AMD về hiệu suất được cải thiện nhiều trên mỗi đơn vị điện năng, nhưng điều đó vẫn không làm mất đi thực tế rằng việc đạt được sức mạnh kết xuất đòi hỏi phải cung cấp thêm năng lượng.
Người ta có thể lập luận rằng các nhà cung cấp nên làm cho việc giảm nhu cầu điện năng của các sản phẩm của họ trở nên dễ dàng hơn nhiều, thậm chí có thể để chúng hoạt động ở một số loại ‘chế độ sinh thái’ theo mặc định.
Các nhà sản xuất có thể nói rằng họ đã làm điều này, dưới hình thức để chip của họ hoạt động ở nhiều mức xung nhịp khác nhau (ví dụ: Chế độ Turbo, Xung nhịp tăng cường, Đồng hồ chơi game) và khiến chúng giảm điện áp đáng kể khi không hoạt động.
Nhưng khi Intel ra mắt CPU Core dành cho máy tính để bàn thế hệ thứ 12 của họ, các thông cáo báo chí có rất nhiều tuyên bố về hiệu suất nhưng chỉ có một phần dám đề cập đến sức mạnh.
Thiết kế CPU hoàn toàn mới, kết hợp hai kiến trúc khác nhau trong cùng một khuôn, rõ ràng là một cải tiến đối với kiểu máy thế hệ thứ 11 tương đương. Như hình ảnh trên cho thấy, Intel có thể đã đặt TDP thành 95W và PL2 thành 125W mà vẫn có thể tự hào về hiệu suất cao hơn.
Thay vào đó, họ giữ nguyên các số liệu như trước và chỉ cần cắt giảm 10W khỏi giá trị PL2. Tất cả đều nhân danh việc có một sản phẩm nhanh hơn một chút so với đối thủ cạnh tranh trong một số thử nghiệm nhất định.
Tất nhiên, bạn không cần phải mua những con chip này, nhưng khi đến lúc cần nâng cấp hoặc đơn giản là mua một chiếc máy tính hoặc bảng điều khiển hoàn toàn mới, bạn có rất ít lựa chọn để chấp nhận những sản phẩm ngốn điện này, bởi vì các mẫu cũ hơn thì không. sản xuất lâu hơn.
Và mặc dù việc điều chỉnh giới hạn năng lượng cho CPU và GPU tương đối dễ dàng, nhưng có thể cho rằng đây là điều mà người dùng cuối không cần phải làm.
Mọi người nói chung đang thay đổi quan điểm về sản xuất năng lượng, nhu cầu và tác động của nó đối với khí hậu và ví tiền của họ. Mặc dù các sản phẩm hào quang và sự thèm khát năng lượng vô độ của chúng chiếm tất cả các tiêu đề, nhưng chính sự tăng trưởng ổn định về nhu cầu năng lượng trên toàn bộ lĩnh vực mới thực sự quan trọng.
Có thể lập luận rằng có quá nhiều nhà sản xuất chất bán dẫn đang mắc kẹt trong một tư duy dường như trái ngược với thế giới ngày nay – có hiệu suất cao nhất có thể, để vượt qua đối thủ bằng mọi giá.
Tuy nhiên, có một số ánh sáng ở cuối đường hầm. Ví dụ, Apple đã chuyển gần như toàn bộ dòng Mac và MacBook của mình sang sử dụng bộ vi xử lý M1/M2 của riêng họ. Các bộ xử lý kết hợp CPU+GPU này được thiết kế để tiết kiệm năng lượng nhất có thể và hoạt động ngang bằng với các sản phẩm x86 của AMD và Intel, với nhu cầu điện năng thấp hơn đáng kể (ngoại trừ chơi game).
Máy chủ và máy trạm thường vẫn được trang bị bộ xử lý Intel Xeon hoặc AMD Epyc, nhưng kiến trúc Arm tiết kiệm năng lượng được Apple sử dụng cũng đang lan rộng sang lĩnh vực này. Các nhà cung cấp đám mây lớn đang thay thế máy chủ của họ bằng một số máy chủ được cung cấp bởi các mẫu Altra của Ampere.
Sự thay đổi đang đến – đôi khi diễn ra chậm chạp, đau đớn, nhưng nó đang đến. Có thể còn nhiều năm nữa chúng ta mới bắt đầu thấy các bộ xử lý mới được ra mắt với yêu cầu năng lượng thấp hơn so với các bộ xử lý tiền nhiệm, nhưng có một số chuyển động trong ngành hướng tới mục tiêu đó.
Trong thời gian chờ đợi, ở cấp độ cá nhân, chúng ta có thể đưa ra lựa chọn đơn giản: chấp nhận nhu cầu năng lượng của phần cứng mới nhất và sử dụng chúng như hiện tại (có hoặc không điều chỉnh một số cài đặt) hoặc bỏ phiếu bằng ví của mình và cho nhà cung cấp biết rằng hàng trăm watt điện là một cái giá quá cao phải trả.