GUIDA Effetto Joule Approfondimento

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Effetto Joule Approfondimento​

In un generico elemento circuitale (non necessariamente rispettante la legge di ohm (https://forum.hwreload.it/threads/nozioni-base-di-energia-elettrica-legge-di-ohm-tensione-corrente-e-resistenza.156/ ) in cui scorre una corrente e ai cui capi vi è una differenza di potenziale, il valore della potenza elettrica fornita è pari a:

P=VI *

Tale potenza viene trasformata in energia termica o in altre forme di energia.​

La legge di Joule può essere interpretata semplicemente come una trasformazione dell'energia elettrica in calore. Essa è causa della perdita di energia nelle linee di trasporto dell'elettricità e in generale di qualsiasi circuito, nonché abbatte il rendimento delle macchine elettriche. Tale legge, è alla base del funzionamento di molti dispositivi elettrici. Le implicazioni termodinamiche in questa formulazione, vale semplicemente il primo principio della termodinamica: l'energia elettrica e il calore sono due forme diverse di energia e l'energia elettrica viene trasformata totalmente in calore. In forma più generale determina come possa avvenire la trasformazione di energia elettrica in altre forme di energia.

Forma macroscopica della legge di joule​

In realtà attualmente sappiamo che la formulazione della legge di Joule nella forma P=IV riguarda qualsiasi trasformazione di energia elettrica in altre forme di energia.
Il ragionamento alla base è molto semplice, se si considera una carica (dQ) che nel tempo (dt) si sposta tra due punti, tra cui vi sia una differenza di potenziale (V), l lavoro (dL) compiuto sulla carica dalle forze di natura elettrica vale:

dL=VdQ

Essendo I=dQ/dt per definizione di corrente elettrica, possiamo scrivere:

dL=IVdt ->P=IV dove P=dL/dt è la potenza elettrica fornita.

In particolare, se l'elemento circuitale è una resistenza R per cui vale la legge di Ohm, la legge di Joule si scrive in maniera più semplice:

P=RI^2 oppure P= V2/R​

Il limitare la legge di Joule al solo effetto termico è pratica comune nei testi scolastici.

Nel caso di circuiti in corrente alternata più che la potenza istantanea che viene trasformata ha interesse la potenza media fornita al carico. P=Veff Ieff cosՓ dove coseno dell'angolo φ di sfasamento tra la corrente e la tensione viene chiamato fattore di potenza.
A temperatura ambiente, come regola generale, si può affermare che una potenza dissipata maggiore di qualche decina di W/cm^3 richiede in genere metodi di dissipazione del calore particolari per evitare che i conduttori si scaldino eccessivamente.

Esempio di un fusibile, un elemento che sfrutta la legge di Joule​

Sfruttando la legge di Joule in questa forma si realizzano dei semplici limitatori di corrente elettrica, mediante fili sottili e sospesi, che sono detti nel linguaggio comune fusibili: quando sono attraversati da una corrente superiore a un certo valore, il metallo di cui è costituito il filo si fonde per effetto Joule e interrompe il circuito elettrico in cui è inserito il limitatore.

Relazione col calore:

Q=R i^2 t​

La quantità di calore prodotto da una intensità di corrente (i) a valor efficace costante che passa attraverso un conduttore in un determinato intervallo di tempo, equivale alla resistenza moltiplicata per il quadrato dell'intensità di corrente moltiplicata per l'intervallo di tempo

Esempio pratico nell’informatica comune:

facciamo il caso di una macchina che, tramite appositi strumenti di misura, assorbe 400w, per semplicità, si terrà conto, in maniera semplicistica, che tale macchina sia formata esclusivamente da CPU e GPU che assorbono in maniera equivalente.

Pertanto:

Pgpu: 200w

Pcpu: 200w.

Sappiamo che sia gpu che cpu vengono alimentate dalla 12vdc degli alimentatori ATX, pertanto:

Igpu/cpu= 200w/12v=12,7 A

Quindi, la corrente totale assorbita da questa macchina sarà di circa 25 Ampere.

Ora dobbiamo rifarci alla famosissima legge di Ohm per calcolarci la Resistenza del PC:

V=RI, la formula inversa è R=V/I quindi:

Rpc= 12v/25 A= 0,48 Ohm.

Rifacendoci ora alla relazione col calore, ipotizzando la media di 8h di lavoro di questa macchina, si avrà:

Q= 0,48 Ohm x 25 A^2 x 28800s (8h) = 8640000 J= 8640kJ

Sarebbe bello che i vari produttori hardware esprimessero il tdp in questa maniera. Purtroppo, non è così.

Mi rifaccio alla guida dei ragazzi di hwreload per esprimermi meglio.​

1. Cos'è il TDP​

Il Thermal design power (TDP, chiamato anche Thermal design point) rappresenta un'indicazione del calore (energia) dissipato da un microprocessore, che il sistema di raffreddamento dovrà smaltire per mantenere la temperatura del processore stesso entro una soglia limite di sicurezza per i propri componenti e consentirgli allo stesso tempo di raggiungere le performance dichiarate. La sua unità di misura è il Watt.

AMD e Intel intendono ciò in modo estremamente ampio e utilizzano un metodo completamente diverso per calcolarlo, differente ancora è il significato che questo dato assume quando è riportato da un produttore di sistemi di dissipazione.

In tutto ciò è presente anche una buona dose di marketing ed è tutt'ora aperta una diatriba tra produttori di CPU e di dissipatori per come questo valore debba essere attribuito correttamente. Il TDP infatti, per come lo intendono i produttori di CPU, risulta essere un numero

completamente arbitrario e il modo per calcolarlo è totalmente subordinato ad esso. Dal punto di vista del produttore, infatti, assume il valore di un dato da mostrare per indicare un certo grado di efficienza


raggiunto in confronto ai propri concorrenti, ma, se cambiasse il numero, la formula utilizzata per determinarlo non farebbe altro che conformarsi ad esso.

2. Come Intel calcola il TDP

Il dato indicato da Intel come TDP è quello che si avvicina maggiormente alla definizione data all'inizio, ovvero di quantità di calore che dovrà essere dissipata per garantire alla CPU il corretto funzionamento al livello di performance dichiarato.

Tratto dal documento rilasciato da Intel e intitolato "Measuring Processor Power": "TDP. Thermal Design Power. The Thermal design power is the maximum power a processor can draw for a thermally significant period while running commercially useful software. The constraining conditions for TDP are specified in the notes in the thermal and power tables. Notes: - TDP is measured under the conditions of all cores operating at CPU COF, Tcase Max, and VDD at the voltage requested by the processor. TDP includes all power dissipated on-die from VDD, VDDNB, VDDIO, VLDT, VTT and VDDA."

E ancora: "It is important to note that thermal design power is the maximum thermal power the processor will dissipate, but not the same as the maximum power the processor can consume. It is possible for the processor to consume more than the TDP power for a short period of time that isn’t “thermally significant” Il TDP dichiarato da Intel, secondo quanto dichiarato, infatti, indica il massimo assorbimento di corrente da parte del processore per un periodo di tempo significativo, ciò indica che non prende in considerazione la possibilità che, più o meno sporadicamente, a causa della tecnologia di turbo boost attivata, la CPU possa assorbire un quantitativo di corrente maggiore. In molti BIOS, infatti, è presente l'opzione che consente di forzare la CPU a rispettare i limiti del TDP, se attivata, il Turbo Boost verrà disattivato.

Interessante notare il fatto come Intel riconosca che alcune applicazioni possano portare la CPU ad assorbire più corrente di quanto dovrebbe: "It is possible to write “virus-like” code that toggles transistors in the processor on and off, but doesn’t do any real work. Such “virus-like” code could cause the processor to exceed the rated TDP value for a much longer, “thermally significant” period of time. To ensure the processor stays within the thermal specification under such “virus-like” type conditions, Intel processors have a built-in “thermal control circuit” which reduces processor power by reducing the processor voltage and/or modulates the clock frequency" in questo caso classifica tali applicazioni come power-virus e indica che il loro utilizzo non dovrebbe esser preso in considerazione per simulare uno scenario di carico di lavoro reale.

3. Come AMD calcola il TDP

Per quanto riguarda AMD, il dato riportato è ancora più confusionario, poiché, sebbene il TDP sia indicato in Watt, nessun dato e nessuna variabile della formula adottata dalla casa di Sunnyvale per indicare ciò ha a che fare con l'assorbimento elettrico.

Come scopriremo, il TDP indicato da AMD finisce col diventare completamente inutile, per qualsiasi utilizzo o significato possa interessare all'utente finale, ma andiamo con ordine.

Prendiamo per esempio il Ryzen 9 3900X. Il Ryzen 9 3900X è una CPU dotata di 12 core, 24 threads e in grado di consumare 140/150W sotto carico "normale", per esempio in rendering con tutti i threads impegnati, ma il suo TDP dichiarato è di 105W. Una differenza molto ampia, anche di 30/40W, appare evidente, quindi, che con il TDP non è inteso l'assorbimento elettrico. AMD calcola il TDP in questo modo:

TDP (Watts) = (tCase°C - tAmbient°C) / Heatsink fan θca

E' possibile notare come ognuno di questi valori possa variare in base alla CPU considerata, infatti, se cambiasse la temperatura ambiente, qui assunta come variabile vera e propria o la tCase, il TDP risultante sarebbe completamente diverso.

TCase è la temperatura massima per la giunzione tra die ed heatspreader che consente alla CPU di raggiungere le performance dichiarate. Questo parametro non fa riferimento alla temperatura massima raggiungibile (tJunction) dalla CPU, ma alla temperatura massima che la CPU può raggiungere prima che il


Precision Boost 2 cominci a ridurre le frequenze di boost. Una tCase inferiore, nella formula, conduce ad un TDP più basso.

TAmbient è definita come la massima temperatura all'entrata dell'aria nell'heatsink che consente alla CPU di raggiungere le performance dichiarate con l'utilizzo di un determinato dissipatore. Questo valore è cruciale per valutare le performance del dissipatore. Ad una tAmbient più elevata (potete intenderla come la temperatura all'interno case), infatti, sarà necessario un dissipatore più efficente. Per capire ciò, tenete sempre presente che è la formula ad essere subordinata al valore del TDP, non il contrario.

HSF θca (in °C/W) è definito come il rating minimo (o valore massimo, giacché un valore più alto è indice di un dissipatore con una maggiore-peggiore resistenza termica) in °C per Watt cui è certificato il dissipatore necessario per raggiungere le performance dichiarate. Indica quindi la resistenza termica del dissipatore necessaria per mantenere la tCase entro le specifiche del TDP (ancora una volta, è il TDP a determinare i valori della formula).

Questo sembra essere il valore che AMD attribuisce ai propri dissipatori per misurarne la qualità nel trasferimento del calore, un dissipatore migliore, con una resistenza inferiore potrà quindi dissipare CPU con TDP più alti.

Per comprendere meglio i parametri e le variabili della formula, aiutiamoci con questa tabella:

(Crediti: Gamers Nexus.net)

La colonna P0 indica il Pstate con il più elevato consumo di corrente, con le performance più elevate possibile, ma boost disattivato.

(Crediti: Gamers Nexus.net)

E' possibile notare come nella formula la tAmbient cambi qualora il processore da considerare sia diverso, come per esempio per quanto riguarda i processori appartenenti alla gamma Threadripper 3. I diversi gruppi di CPU hanno valori totalmente diversi, ciò comporta un TDP risultante differente.


Torniamo ora alla tabella precedente. Come possiamo notare, la prima cosa che salta all'occhio è la colonna TDP. I valori qui riportati, sono gli stessi per 3 processori molto diversi tra loro (3950X, 3900X e 3800X), sia per quanto riguarda il numero di core, il consumo di corrente e le frequenze base e di boost. Il 3700X ha un TDP più basso del 3600X che possiede due core in meno, nonostante consumi di più, infine, il suo valore è equivalente a quello assegnato al 3600, CPU con due core in meno e consumi decisamente inferiori. Sempre analizzando la tabella, una tCase inferiore, secondo la definizione, comporta la necessità di un miglior heatsink per mantenere le frequenze raggiunte tramite il Precision Boost 2, ciò si può riscontrare mettendo a paragone il valore HSF θca del 3700X e del 3800X, dove si può notare come al 3800X sia stato assegnato come valore dell'efficienza dell'heatsink un valore più basso, e quindi necessiti di un dissipatore più efficiente per mantenere le frequenze di boost.

Il valore tAmbient non dipende dal chip (tCase invece è una specifica propria della CPU), quindi ad una temperatura dell'aria che entra nel dissipatore più elevata, potrete sostenere CPU con un TDP più basso e viceversa.

E' evidente quindi, che per AMD l'unità di misura utilizzata per il TDP in watt non ha lo stesso significato che assumerebbe se venisse impiegato per il consumo di corrente.

3.1. Watt termici vs elettrici

Come abbiamo già capito, sebbene siano espressi con la stessa unità di misura, il TDP poco ha a che fare con il consumo di corrente.

Robert Hallock, Senior Thecnical Marketing Manager di AMD, in un post su Reddit afferma che con il termine TDP ci si riferisce ai watt termici, non a quelli elettrici. Queste due cose non avrebbero lo stesso sgnificato.

Senza entrare troppo nel dettaglio, quest'affermazione non può essere presa alla lettera, infatti un Watt è un Watt, ed è l'unità di misura della potenza del Sistema Internazionale, così come un chilogrammo di ferro non pesa più di un chilogrammo di piume.

Con il termine potenza ci si riferisce al trasferimento di energia in una determinata unità di tempo. La velocità con cui un chip assorbe energia (sotto forma di elettricità) e la rilascia (sotto forma di calore) per un periodo di tempo sufficiente, dovrebbe essere la stessa, poiché non vi è alcuna emissione in qualsiasi altra forma (come potrebbe essere la luce) e quindi il calore emesso sarà in un rapporto quasi perfetto 1:1 con l'energia assorbita. Il TDP è quindi una regola empirica creata dall'uomo, non una misurazione precisa della potenza termica.

Riprendendo la formula di AMD, si può dedurre che il TDP sia strettamente dipendente dalla temperatura, ciò appare ancora più evidente analizzando il comportamento del Precision Boost 2 o della precedente tecnologia XFR, che consentono alla CPU di raggiungere frequenze più elevate in base alla temperatura del chip; le frequenze stesse applicabili alla CPU scalano molto bene con la temperatura, aumentando progressivamente con la sua diminuzione.

Inoltre, una CPU è un'unità di calcolo cosiddetta general purpose, non un ASIC, quindi l'assorbimento di energia e di conseguenza il calore emesso, variano in base al carico di lavoro applicato cui la CPU si ritrova a dover far fronte e alla lunghezza del test.

In definitiva, quindi, il TDP non è strettamente correlato all'assorbimento elettrico, nessun valore della formula fa riferimento all'assorbimento elettrico ma, riprendendo il discorso interrotto al paragrafo precedente, è soltanto un numero che indica la qualità dell'heatsink richiesta. Poiché HSF θca è una specifica dei dissipatori stock AMD, ed è l'unico valore che può variare (tCase è una specifica della CPU, mentre tAmbient è assunta sempre uguale come costante), il TDP è indice della qualità richiesta al dissipatore per far funzionare la CPU all'interno delle specifiche.

Apro quindi una parentesi sulla disputa triviale riguardante il dissipatore stock del Ryzen 5 3600 accusato di essere di qualità troppo bassa: è la stessa AMD che indica quel dissipatore come sufficiente (minimo sufficiente) per poter sfruttare la CPU all'interno delle specifiche, poi, se la temperatura ambiente nel luogo in cui vivete è molto più elevata o utilizzate la CPU per scopi per cui non è stata progettata (è possibile, come del resto è possibile l'overclock, e l'assorbimento di corrente non sarà costante, non si tratta di un ASIC) è un altro paio di maniche.

4. Il TDP secondo i produttori di dissipatori

Il TDP definito dai produttori di dissipatori, è diverso dal TDP definito da AMD o Intel. Quando viene annunciato un nuovo chip, AMD o Intel o Nvidia inviano ai progettisti di dispositivi di raffreddamento un documento dettagliato, che contiene tutte le informazioni sul consumo di energia e sulla temperatura necessarie per simulare accuratamente il chip.

Le aziende che si occupano di dissipatori testano i propri prodotti in base a criteri propri e, poi, possono fornire un rating TDP che può corrispondere o meno a quello dichiarato dal produttore di chip.

Ciò quindi non significa che se un dissipatore è certificato per 200W di TDP possa dissipare efficacemente il calore prodotto da una CPU dal TDP pari a 200W. È proprio per questo motivo che alcuni produttori come Noctua hanno cominciato a fornire delle liste che assicurano se un determinato dissipatore possa essere abbinato con una specifica CPU ed in quale scenario, omettendo totalmente il TDP.

5. Utilità per l'utente finale

AMD "definisce la soluzione di raffreddamento necessaria", ma forse non in un modo utile per i consumatori che sono alla ricerca di un dissipatore.

Il numero può dare un'indicazione riguardante la necessità di un dissipatore migliore o meno su un'altra CPU della stessa famiglia, ma non indica la qualità minima necessaria del dissipatore perché la CPU possa funzionare in specifica, ma, per quanto riguarda AMD, quello è un valore deciso dalla casa stessa e inserito nella formula richiesta per calcolare il TDP.

Per quanto riguarda Intel, il TDP indica l'assorbimento di corrente con Turbo Boost disattivato, quindi è indubbio come a stock la CPU possa consumare (e scaldare) maggiormente.

Inoltre, il produttore di un determinato dissipatore potrebbe non essersi attenuto a nessun metodo di classificazione appartenente ai produttori di chip.

A questo punto, si hanno due soluzioni:

la prima, quella più complessa, è quella di vedere tante recensioni di ogni singolo componente del pc, compreso case e tirare una media, consci del fatto che ci vorrà tempo sia per la dissipazione sia per l’alimentazione della macchina.

la seconda, è quella di tener conto della curva d’efficienza di un’alimentatore.

Cerco di spiegarmi meglio addizionando anche il link del forum https://forum.hwreload.it/threads/mythbuster-psu-sfatiamo-i-miti-sullalimentatore.42/:

ogni alimentatore ha una determinata curva di rendimento che, solitamente, diminuisce oltre la metà del carico, ma dal 50% fin quasi il 90% del carico l’efficienza rimane ancora molto elevata e comunque oltre l’80%; quindi il calo di efficienza dopo il 50/60% del carico non impatta così tanto sull'efficienza. Questo solo se tutti i nostri componenti stanno girando al massimo, cosa che nell'utilizzo reale non succederà probabilmente mai. Il consiglio è quello di dimensionare l'alimentatore in modo che, sotto il consumo massimo che potrà imporgli il vostro PC, si arrivi a una potenza erogata tra 70% e 80% della potenza totale.

Per i sistemi di dissipazione, il discorso è molto più complesso. In primis bisogna tener conto di quale sistema utilizzare e cosa ne faremo del PC.

Ad esempio, se dovessimo fare OC sarebbe necessario una tipologia di dissipatore, se la macchina non deve fare altro che DAD un altro. Ciò che veramente è importante è non utilizzare sistemi di dubbia bontà o che palesemente hanno avuto riscontro negativo nella stragrande maggioranza dei casi.

Altra ed ultima cosa importante è non addentrarsi in strade difficili senza la dovuta informazione e conoscenza della materia.

Guida pubblicata a nome di JoeV​

BIBLIOGRAFIA:
https://forum.hwreload.it/threads/cos%C3%A8-il-tdp-thermal-design-power.238/
https://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Joule
conoscenze e pareri personali di JoeV-76 e NIchdroid

NOTE*
P= POTENZA
V= CADUTA DI TENSIONE
I= CORRENTE
dQ= QUANTITA’ DI CARICA
dL= LAVORO
dt= TEMPO