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Consommation d’énergie des processeurs : ce que signifie actuellement le « TDP » pour AMD et Intel

CPU-Leistungsaufnahme: Was „TDP“ bei AMD und Intel aktuell bedeutet

Tl;dr : Comment est-il possible que deux processeurs ayant la même puissance thermique nominale (TDP) consomment de manière si différente ? Ou que les Core i7-8700K, -8700 et -8700T sont presque aussi rapides avec une différence de 60 Watt en TDP ? Un regard sur la définition actuelle du TDP chez AMD et Intel fournit des informations à ce sujet.

Mise à jour 14.07.2020 09:45

Une unité centrale utilise-t-elle le TDP ?

Que signifie la puissance thermique nominale (TDP) ? Cette question restera omniprésente dans la communauté en 2020. Cela a été assuré par les définitions des grands fabricants de processeurs AMD et Intel, qui ont été adaptées à plusieurs reprises dans le passé, définitions parfois congruentes et parfois complémentaires, et par le développement des architectures de processeurs en tant que telles : Parce que dans le passé, il n’y avait pas de turbo.

Ce que signifie TDP pour les processeurs actuels avec turbo d’AMD et d’Intel est donc expliqué par Tech Astuce dans ce qui suit en utilisant les définitions actuellement valables. Des exemples et une comparaison des deux approches complètent l’article. Les commentaires et suggestions concernant cet article sont les bienvenus.

La définition actuelle du TDP par Intel

Intel définit actuellement le TDP comme « la consommation électrique moyenne (en watts) que le processeur obtient en fonctionnant à la fréquence de base lorsque tous les cœurs sont actifs à une charge de travail très complexe définie par Intel“.

Qu’est-ce qui se cache derrière la « une charge de travail très complexe« …mais cela reste un secret. Cependant, Tech Astuce a pu montrer que le benchmark Cinebench R15, par exemple, se rapproche évidemment de la charge d’Intel dans le test multi-coeurs, car la consommation y correspond au TDP aux fréquences d’horloge de base. Une orientation est donc possible.

Le TDP garantit l’horloge de base

Toutefois, la déclaration la plus essentielle de la définition d’Intel est la suivante : « lorsqu’il fonctionne à la fréquence de base“. Le TDP correspond donc à la consommation du CPU à l’horloge de base dans le test d’Intel. Cette définition n’a rien à voir avec la consommation à la fréquence du turbo et dans d’autres applications. La quantité de puissance consommée par un processeur dans la vie quotidienne (à court terme) ne peut être déduite du TDP et le fait que les processeurs en turbo consomment deux ou trois fois plus n’est pas contradictoire avec la définition.

Néanmoins, Intel utilise des spécifications supplémentaires pour s’assurer qu’un processeur ne consomme jamais plus que le TDP en moyenne pour lequel le système de refroidissement d’un ordinateur devrait être conçu. Cela signifie que la spécification reste un guide utile pour les intégrateurs de systèmes, en particulier lors de la conception du système de refroidissement.

Les paramètres PL1, PL2 et Tau

En plus du TDP, Intel définit les paramètres PL1 (consommation électrique permanente, correspond au TDP), PL2 (consommation électrique maximale autorisée) et Tau (durée maximale pendant laquelle le PL2 peut être présent) pour chaque CPU. De plus – important ! – s’applique : le PL1 ne peut être dépassé que si la moyenne mobile pondérée exponentiellement (EWMA) de la consommation d’énergie du CPU n’a pas atteint le niveau du PL1. En d’autres termes : en moyenne pondérée dans le temps, un processeur d’Intel ne consomme jamais plus que le TDP selon les spécifications. Cependant, les cartes mères pour le commerce de détail n’y adhèrent généralement pas et Intel le sait et le tolère.

PL1, PL2 et Tau des processeurs Intel actuels

Les cartes mères le traitent différemment

Sur les cartes mères du « commerce de détail », les spécifications d’Intel pour le PL1, le PL2 et le Tau sont généralement ignorées et le CPU reçoit à la place toute la puissance électrique dont il a besoin pour la vitesse maximale autorisée du turbo-hypoctet. Seuls les PC OEM sont souvent équipés de PL1, PL2 et Tau.

Intel EWMA en détail

Intel EWMA en détail

L'EWMA repose sur une formule compliquée

L’EWMA repose sur une formule compliquée

Un Intel Core i5-10400F avec toutes les limites d'Intel ...

Un Intel Core i5-10400F avec toutes les limites d’Intel …

... a avec le PL1 de 65 Watt un PL2 de 134 Watt

… a avec le PL1 de 65 Watt un PL2 de 134 Watt

L’exemple du Core i7-8700(K)/(T)

En prenant l’exemple des trois variantes socketed du Core i7-8700, on comprend mieux ce que signifie la définition TDP d’Intel et la liberté qu’elle laisse aux fabricants. Les noyaux i7-8700K, i7-8700 et i7-8700T reposent tous sur la même matrice et offrent les six noyaux ainsi que l’hyperfixation. Alors que le modèle K s’accompagne d’un TDP de 95 watts, les deux autres modèles ont respectivement 65 et seulement 35 watts. La différence dans l’horloge de base, qui est décisive pour la classification TDP, est proportionnellement importante : 1,3 GHz ou 54 pour cent séparent le processeur K du processeur T. La différence est cependant plus faible dans le turbo : le processeur K n’est autorisé à cadencer que 500 MHz, soit 13 % de plus que le modèle T. Le Core i7-8700 est même seulement 100 MHz plus lent au maximum.

Comparaison des données clés du noyau i7-8700 et i7-8700K

Par conséquent, le Core i7-8700K et le Core i7-8700 sont presque égaux sur une carte mère qui permet au CPU d’avoir autant de puissance que nécessaire, car ils fonctionnent tous deux toujours au maximum et à des fréquences de turbo-hypothèque presque identiques – à moins que la température ne monte trop haut. De plus, la consommation des deux unités centrales s’avère alors presque identique. Malgré la différence de 30 watts dans le TDP.

TDP = la consommation maximale est une option

Toutefois, les équipementiers peuvent également tirer parti de cette différence. Le Medion Erazer X67020/X67015 (revue) avec le Core i7-8700 l’a bien montré.

Dans ce système, le processeur ne doit tout simplement pas consommer plus de 65 watts. PL2 correspond ici à PL1 = TDP. Ainsi, si la charge très complexe d’Intel était exécutée sur ce système, le processeur consommerait exactement 65 watts et fonctionnerait aux fréquences d’horloge de base. Cependant, dans les applications qui génèrent moins de charge que la référence d’Intel, le CPU affiche une consommation de 65 watts, ce qui est plus élevé. Quoi qu’il en soit, le processeur de ce système est nettement plus lent dans les applications que sur une carte de bureau. Ce n’est que dans les jeux que l’on atteint dans certains cas les fréquences d’horloge maximales du turbo, car les jeux, malgré des fréquences d’horloge plus élevées, sollicitent moins le processeur et n’entraînent donc toujours qu’une consommation de 65 watts.

Puissance dans le Cinebench R15 (Multi-Core)

Unité : Points

    • Noyau i7-8700K (pas de limite)

    • Noyau i7-8700 (pas de limite)

    • Noyau i7-8700T (pas de limite)

    • Noyau i7-8700 (limite 65 watts)

    • Noyau i7-8700T (limite 35 watts)

Le jeu peut également être transféré sur le modèle T avec 35 watts. Dans un PC avec un couvercle de consommation à 35 watts, la fréquence d’horloge de ce CPU tomberait à 2,4 GHz sous une forte charge (fréquence d’horloge de base). En revanche, les fréquences d’horloge du turbo seraient présentes dans les systèmes sans spécifications de consommation. Ce processeur ne correspond pas au niveau de performance des autres CPU car Intel a également fixé des fréquences d’horloge maximales plus basses dans ce cas. Mais l’écart entre les transformateurs serait également beaucoup plus faible que ce que le TDP suggère – et la consommation ne serait plus significativement inférieure à 112 watts au lieu de 35 watts.

  • Les cœurs i7-8700T et i5-8500T dans le test : le six cœurs d’Intel avec une « consommation » de 35 watts

L’exemple du Core i7-8700 au Core i7-8700K est donc certainement extrême, car l’horloge de base des CPU et donc le TDP diffèrent fortement, mais les taux d’horloge du turbo diffèrent moins sensiblement. Mais le Core i7-8700T montre que pratiquement chaque turbo processeur peut avoir deux faces : D’une part, si l’OEM limite la consommation au TDP, et d’autre part, si le système accepte les cadences maximales du turbo comme limite supérieure. Les fabricants de PC doivent décider de la stratégie à suivre.

Définition actuelle de la TDP par les AMD

Le TDP d’AMD vise également à prescrire aux fabricants la dissipation de puissance qu’un système de refroidissement doit au moins dissiper de façon permanente pour ne pas ralentir le processeur. Cependant, AMD n’approche pas le TDP par une mesure concrète de la consommation du CPU, mais par une considération théorique du système de refroidissement. AMD parle avec le TDP donc aussi de « watt thermique » pas « .watts électriques“.

AMD dit « Le TDP est une mesure stricte de la dissipation thermique d’un ASIC, qui définit le système de refroidissement minimum requis pour atteindre les performances spécifiées“. Le TDP est calculé à l’aide d’une formule qui prend en compte deux propriétés du CPU et du refroidisseur ainsi que les conditions environnementales : La température maximale autorisée du processeur, la résistance thermique du refroidisseur et la température de l’air de refroidissement.

TDP (Watt) = (tCase (°C) - tAmbient (°C))/(HSF (°C/W))

Les dispositions suivantes s’appliquent :

  • tCase °C : température maximale autorisée à l’interface entre la filière et le dissipateur de chaleur pour atteindre la performance spécifiée
  • tAmbient°C : la température maximale autorisée de l’air à l’entrée du radiateur pour atteindre la performance spécifiée
  • HSF Θca (°C/W) : La résistance thermique maximale que doit atteindre le refroidisseur pour obtenir les performances spécifiées

Clair d’une part, intangible d’autre part

Le train de la pensée a du sens : L’unité centrale ne peut atteindre les performances spécifiées que si elle n’est pas freinée par des températures excessives. La puissance minimale dissipée par le refroidisseur est donc celle qui maintient la température du CPU exactement à sa limite critique à la température ambiante maximale autorisée.

La référence directe à une consommation concrète à une fréquence d’horloge concrète n’est même pas présente dans la définition d’AMD, contrairement à la définition d’Intel, cependant. À première vue, le TDP d’une unité centrale pourrait être choisi à volonté, en choisissant la température maximale autorisée, la température de l’air supposée ou la performance du système de refroidissement, chaque fois différente.

Dans la pratique, cependant, il y a naturellement des ordres de grandeur compréhensibles derrière cela : La température maximale du CPU détermine la vitesse de l’horloge, le refroidisseur la température maximale du CPU et donc la vitesse de l’horloge et la température de l’air la performance du refroidisseur. En substance, la formule a une référence très concrète et spécifique au CPU, elle n’est tout simplement pas tangible pour l’utilisateur et les informations sur l’état de fonctionnement dans lequel le TDP équivaut éventuellement à la consommation ne sont pas reconnaissables.

Un exemple : Ryzen 7 2700X

Le Ryzen 7 2700X est un bon exemple de la manière dont fonctionne l’approche d’AMD. Le processeur ne doit pas chauffer à plus de 61,8 °C à l’interface entre la matrice et le répartiteur de chaleur et la température ambiante ne doit pas dépasser 42,0 °C – sinon les valeurs de performance prévues par l’AMD ne sont évidemment plus atteintes. Le CPU peut donc devenir au maximum 19,8 °C plus chaud que l’air à l’entrée du refroidisseur.

Pour le Ryzen 7 2700X, AMD a spécifié un refroidisseur avec une résistance thermique de 0,189 °C/W ou moins. Cela signifie que pour chaque watt de puissance consommée, le refroidisseur le plus faible encore libéré chauffe de 0,189 °C. Pour éviter que sa température, et donc celle de l’unité centrale, n’augmente de plus de 19,8 °C, l’unité centrale ne doit donc pas consommer plus de 105 watts.

104,76 Watt = (61,8 °C – 42,0 °C)/(0,189 °C/W)

Un jeu mental

Si AMD avait libéré le Ryzen 7 2700X à un maximum de 71,8 °C et supposait fondamentalement un air froid de 32,0 °C devant le refroidisseur, l’unité centrale aurait un TDP de 210 watts. Cependant, cette spécification n’aurait de sens pour la conception du système de refroidissement que si le processeur entrait en permanence dans de telles dimensions sous charge. Des fréquences d’horloge nettement plus élevées et/ou des tensions plus élevées seraient nécessaires. Ni cela, ni la température ambiante de 32 °C ne sont réalistes – ici, il montre que les variables fixées par AMD ont naturellement une relation fixe avec la réalité.

Les utilisateurs peuvent saisir le « sortie spécifiée« ou la consommation d’AMD au final mais pas. Les mesures de la consommation d’énergie suggèrent que le TDP vise également un état de charge en dehors des fréquences d’horloge maximales du turbo. Mais la définition du TDP ne permet pas cette conclusion, comme l’a publiquement confirmé l’AMD elle-même.

La consommation sera généralement plus élevée

Toutefois, l’AMD indique que la consommation à pleine charge sera généralement plus élevée. Par exemple, le fabricant explique ce qui doit se passer pour que le processeur fonctionne encore plus vite que « spécifié » : La température maximale autorisée pour le CPU devrait être plus élevée, la température ambiante plus basse ou le refroidisseur plus fort – il y a donc encore une marge de manœuvre en ce qui concerne la température. Et cette exploration continue est exactement ce que le Turbo (Precision Boost (2), XFR (2)) fait pour AMD.

Cependant, outre la température, l’AMD a également une autre limite qui peut limiter la fréquence d’horloge : la consommation maximale autorisée. Donc la consommation thermique « .dans des turbo-scénarios de base massivement parallélisés« Le maximum est alors défini par le courant maximum autorisé par la prise (AM4 = 95 ampères). A 1,35 volt, cela donne une consommation de près de 130 watts. Ceci est plus conforme à la consommation du Ryzen 7 2700X déterminée par Tech Astuce en charge.

Pour la mise sur le marché de l’AMD Ryzen 3000 (test), AMD a défini des limites pour les charges à court terme au-delà de ces limites à nouveau en juillet 2019.

AMD Ryzen 3000 en quintet
AMD Ryzen 3000 en quintet

Les nouveaux processeurs AMD de la série 3000 sont à nouveau classés dans les classes TDP 65 et 105 Watt. Toutefois, ils sont autorisés à consommer davantage si la température n’est pas trop élevée : 88 watts dans la classe des 65 watts et 142 watts dans la classe des 105 watts sont les limites fixées ici, ce que l’AMD appelle la puissance cible de l’emballage (PPT). L’AMD définit également des valeurs limites pour le courant maximal qui, dans le cas du processeur de 105 watts, sont à nouveau nettement supérieures aux 95 ampères de la prise AM4 pendant une courte période.

Si les processeurs de Prime95 sont ensuite tourmentés au maximum par l’AVX, HWiNFO crache ces limites à peu près exactement : Les deux processeurs de 65 watts Ryzen 5 3600 et Ryzen 7 3700X se permettent 90 watts dans le test, tandis que le Ryzen 9 3900X est mesuré avec une puissance de 130 watts. Le PPT est donc une consommation maximale définie par l’AMD. Intel ne fournit pas actuellement une telle spécification.

Comme le refroidissement est suffisamment bon, cette consommation est également permanente – les spécifications d’AMD ne sont pas liées à une période de temps, mais uniquement à la température.

Voici comment sont produits les TDP de 105, 95 et 65 watts

L’approche d’AMD pour définir le TDP des différentes classes est intéressante. Par exemple, le TDP de 65 watts du Ryzen 7 1700X comparé à celui du Ryzen 7 1700X avec un TDP de 95 watts résulte de la combinaison d’un système de refroidissement moins performant et d’une température de CPU autorisée plus élevée. Cependant, l’idée derrière tout cela est claire : le processeur reçoit l’horloge (de base) avec la consommation qu’un système de refroidissement nettement plus mauvais peut encore dissiper malgré la température plus élevée autorisée. Dans le cas présent, cela est possible grâce à une horloge de base qui diminue considérablement de 400 MHz et à la baisse des fréquences des turbo-hyglophones multicœurs (non publics).

AMD Ryzen dépend davantage de la classe TDP qu’Intel Core

Les cœurs i7-8700K, -8700 et -8700T avec TDP de 95, 65 et 35 watts montrent de manière impressionnante chez Intel que la classe TDP ne dit rien sur les performances d’un processeur si le système ne l’utilise pas et que les fréquences d’horloge du turbo d’Intel sont choisies de manière si proche. Avec AMD Ryzen, c’est encore différent. Le Ryzen 7 2700X (105 watts TDP) et le Ryzen 7 2700 (65 watts TDP) ne séparent que 100 MHz au turbo maximum (charge d’un seul cœur), mais dans l’utilisation quotidienne, il y a clairement des fréquences d’horloge différentes sous charge sur tous les cœurs. Dans ce cas, AMD a défini soit des courants maximums autorisés, soit des fréquences d’horloge maximums autorisées avec des distances plus importantes entre les classes TDP, de sorte que les processeurs de deux classes TDP diffèrent davantage l’un de l’autre.

Autres limites

Pour AMD et Intel, le TDP est donc la consommation qu’un système de refroidissement doit être capable de dissiper en permanence pour maintenir les performances spécifiées (officiellement l’horloge de base pour Intel). Il peut également servir de limite, mais ce n’est pas obligatoire.

Toutefois, si les fabricants de cartes mères ou de PC permettent au processeur de fonctionner librement, les cadences maximales promises ne doivent pas nécessairement être atteintes ou maintenues. Comme nous l’avons déjà mentionné, la température du processeur, par exemple, peut s’y opposer. Mais la consommation peut aussi revenir en jeu comme facteur limitant. Car les fabricants de processeurs fixent généralement aussi des limites supérieures à la quantité de courant à consommer. Dans les unités centrales avec des fréquences d’horloge de turbo sous charge sur un, deux ou tout autre nombre de cœurs, cette limite n’est jamais entrée en jeu. Cependant, sur les tout derniers processeurs, pour lesquels seules les fréquences d’horloge de base et de turbo-cœur simple sont disponibles, c’est généralement le facteur déterminant de l’horloge – voir l’exemple d’AMD Ryzen.

Ryzen Threadripper l’a également précisé : le CPU est généralement régulé par une limite de consommation supérieure au TDP lorsqu’il est sous charge sur x cœurs.

À première vue, cette approche semble être un pas en arrière, mais c’est exactement le contraire : au lieu de définir des cadences maximales fixes de turbo-hypothèque pour des charges sur plusieurs cœurs, qui sont toujours atteintes mais jamais dépassées, la nouvelle approche permet à l’unité centrale de chronométrer parfois plus et parfois moins en fonction de la charge concrète – non pas en fonction du nombre de cœurs utilisés en parallèle, mais en fonction du besoin très concret mesuré en termes de consommation d’énergie.

Conclusion

AMD et Intel parlent désormais plus ou moins le même langage en termes de contenu en ce qui concerne le TDP : tous deux font référence à la consommation à dissiper par le système de refroidissement pour une performance donnée, ce qui n’est cependant qu’à moitié tangible avec Intel : ici, cela correspond à la performance avec une charge très complexe à la fréquence d’horloge de base. La définition d’AMD n’inclut cependant pas ce seul point de contact concret entre le TDP, la consommation et la performance. On ne peut cependant pas nier les parallèles pertinents pour la pratique entre les définitions des TDP.

Les utilisateurs des deux fabricants doivent être conscients que le TDP ne permet pas de faire une déclaration directe sur la consommation maximale et les performances maximales dans la vie de tous les jours, et surtout avec les derniers processeurs Core 10000 d’Intel, la gamme est extrême. Si vous suivez les spécifications d’Intel, vous devez ralentir chaque processeur à TDP = PL1 à moyen terme, mais la plupart des cartes mères dans les magasins de détail ne font pas exactement cela.

Dans les systèmes OEM, qui dans le pire des cas couvrent la consommation jusqu’au TDP = PL1 à partir de la 1ère seconde, le CPU sera plus lent et ne consommera jamais plus que le TDP – le tampon PL2 d’Intel ne sera jamais utilisé ici. La comparaison des trois processeurs de la série Core-i7-8700 est un exemple très frappant pour ce cas.

La vitesse d’un processeur dans son propre système n’est donc pas seulement une question de TDP et de fréquence d’horloge (turbo) spécifiée par le fabricant. En revanche, cela dépend principalement du fait que le fabricant fixe le TDP comme limite de consommation à court ou à long terme, ou qu’il autorise le CPU à consommer autant d’énergie qu’il en a besoin pour le turbo maximum.

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Robin Vigneron

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