การสูญเสียพลังงานของโปรเซสเซอร์หรือการสูญเสียพลังงานของหน่วยประมวลผลคือกระบวนการที่โปรเซสเซอร์ของคอมพิวเตอร์ใช้พลังงานไฟฟ้าและสูญเสียพลังงานนี้ไปในรูปของความร้อนเนื่องจากความต้านทานในวงจรไฟฟ้า

การออกแบบ CPU ที่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไปถือเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญของผู้ผลิต CPU เกือบทุกรายในปัจจุบัน ในอดีต CPU รุ่นแรกๆ ที่ใช้หลอดสุญญากาศ นั้น ใช้พลังงานในระดับหลายกิโลวัตต์ CPU ในปัจจุบันที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ทั่วไป เช่นเดสก์ท็อปและแล็ปท็อปใช้พลังงานในระดับหลายสิบถึงหลายร้อยวัตต์ CPU บางรุ่นใช้พลังงานน้อยมาก ตัวอย่างเช่น CPU ในโทรศัพท์มือถือ มักใช้ ไฟฟ้าเพียงไม่กี่วัตต์^{[ 1 ]} ในขณะที่ ไมโครคอนโทรลเลอร์บางตัวที่ใช้ในระบบฝังตัวอาจใช้พลังงานเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์หรือน้อยถึงเพียงไม่กี่ไมโครวัตต์

รูปแบบนี้มีเหตุผลทางวิศวกรรมหลายประการ:

• สำหรับแกน CPU ที่กำหนด การใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นตามอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่เพิ่มขึ้น การลดอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาหรือการลดแรงดันไฟฟ้ามักจะช่วยลดการใช้พลังงาน นอกจากนี้ยังสามารถลดแรงดันไฟฟ้าของไมโครโปรเซสเซอร์ในขณะที่รักษาอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาให้คงที่ได้^{[ 2 ]}
• โดยทั่วไปแล้ว ฟังก์ชันใหม่ๆ มักต้องการทรานซิสเตอร์ มากขึ้น ซึ่งแต่ละตัวก็ใช้พลังงาน การปิดส่วนที่ไม่ใช้งานจะช่วยประหยัดพลังงาน เช่น การใช้เทคนิคclock gating
• เมื่อการออกแบบโมเดลโปรเซสเซอร์พัฒนาขึ้น ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก โครงสร้างแรงดันต่ำ และประสบการณ์ในการออกแบบ อาจช่วยลดการใช้พลังงานได้

โดยปกติแล้ว ผู้ผลิตโปรเซสเซอร์จะเปิดเผยตัวเลขการใช้พลังงานของ CPU สองค่า ได้แก่:

• กำลังความร้อนโดยทั่วไปซึ่งวัดภายใต้ภาระการทำงานปกติ (ตัวอย่างเช่นกำลังความร้อนเฉลี่ยของ CPU จาก AMD )
• กำลังความร้อนสูงสุดซึ่งวัดภายใต้ภาระกรณีที่เลวร้ายที่สุด

ตัวอย่างเช่น Pentium 4 2.8 GHz มีกำลังความร้อนทั่วไป 68.4 W และกำลังความร้อนสูงสุด 85 W เมื่อ CPU อยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งาน จะใช้พลังงานความร้อนน้อยกว่าค่าทั่วไปมาก โดยปกติแล้ว เอกสารข้อมูลจะระบุค่ากำลังการออกแบบความร้อน (TDP) ซึ่งเป็นปริมาณความร้อน สูงสุด ที่ CPU สร้างขึ้น ซึ่งระบบระบายความร้อนในคอมพิวเตอร์ต้องระบายออกทั้งIntelและAdvanced Micro Devices (AMD) ได้กำหนด TDP ว่าเป็นการสร้างความร้อนสูงสุดในช่วงเวลาที่มีนัยสำคัญทางความร้อน ในขณะที่ใช้งานภาระงานที่ไม่ใช่การจำลองในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ดังนั้น TDP จึงไม่ได้สะท้อนถึงกำลังสูงสุดที่แท้จริงของโปรเซสเซอร์ ซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าคอมพิวเตอร์จะสามารถจัดการกับแอปพลิเคชันทั้งหมดได้โดยไม่เกินขีดจำกัดความร้อน หรือต้องใช้ระบบระบายความร้อนสำหรับกำลังสูงสุดตามทฤษฎี (ซึ่งจะมีค่าใช้จ่ายมากกว่า แต่เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการประมวลผล) ^{[ 3 ] [ 4 ]}

ในหลายๆ แอปพลิเคชัน ซีพียูและส่วนประกอบอื่นๆ จะอยู่ในสถานะไม่ได้ใช้งานเป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นพลังงานที่ไม่ได้ใช้งานจึงมีส่วนสำคัญต่อการใช้พลังงานโดยรวมของระบบ เมื่อซีพียูใช้ คุณสมบัติ การจัดการพลังงานเพื่อลดการใช้พลังงาน ส่วนประกอบอื่นๆ เช่น เมนบอร์ดและชิปเซ็ต จะใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์ในสัดส่วนที่มากขึ้น ในแอปพลิเคชันที่คอมพิวเตอร์ทำงานหนักอยู่บ่อยๆ เช่น การคำนวณทางวิทยาศาสตร์ประสิทธิภาพต่อวัตต์ (ปริมาณการคำนวณที่ซีพียูทำได้ต่อหน่วยพลังงาน) จึงมีความสำคัญมากขึ้น

โดยทั่วไป แล้ว CPU ใช้พลังงานส่วนใหญ่ของคอมพิวเตอร์ส่วนประกอบอื่นๆ ที่ใช้พลังงานมาก ได้แก่การ์ดจอ ความเร็วสูง ซึ่งมีหน่วยประมวลผลกราฟิกและแหล่งจ่ายไฟในแล็ปท็อป ไฟแบ็คไลท์ของ จอ LCDก็ใช้พลังงานส่วนใหญ่เช่นกัน แม้ว่า จะมี คุณสมบัติประหยัดพลังงานในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลสำหรับช่วงที่ไม่ได้ใช้งาน แต่การใช้พลังงานโดยรวมของ CPU ประสิทธิภาพสูงในปัจจุบันก็ยังสูงมาก ซึ่งแตกต่างอย่างมากกับการใช้พลังงานที่ต่ำกว่ามากของ CPU ที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อการใช้พลังงานของ CPU ได้แก่ การใช้พลังงานขณะทำงาน การใช้พลังงานขณะลัดวงจร และการสูญเสียพลังงานเนื่องจากกระแสรั่วไหลของทรานซิสเตอร์ :

${\displaystyle P_{cpu}=P_{dyn}+P_{sc}+P_{leak}}$

การใช้พลังงานแบบไดนามิกเกิดจากกิจกรรมของเกตตรรกะภายใน CPU เมื่อเกตตรรกะสลับสถานะ พลังงานจะไหลเนื่องจากตัวเก็บประจุภายในถูกชาร์จและคายประจุ พลังงานแบบไดนามิกที่ CPU ใช้จะแปรผันโดยประมาณตามความถี่ของ CPU และกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าของ CPU: ^{[ 5 ]}

${\displaystyle P_{dyn}=CV^{2}f}$

โดยที่Cคือความจุโหลดที่สลับfคือความถี่Vคือแรงดันไฟฟ้า^{[ 6 ]}

เมื่อวงจรลอจิกเกตสลับสถานะ ทรานซิสเตอร์บางตัวภายในอาจเปลี่ยนสถานะ เนื่องจากกระบวนการนี้ใช้เวลาจำกัด จึงอาจเกิดขึ้นได้ว่าในช่วงเวลาสั้นๆ ทรานซิสเตอร์บางตัวนำกระแสพร้อมกัน เส้นทางตรงระหว่างแหล่งกำเนิดและกราวด์จึงส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานลัดวงจร ( ) ขนาดของการสูญเสียพลังงานนี้ขึ้นอยู่กับวงจรลอจิกเกต และค่อนข้างซับซ้อนที่จะสร้างแบบจำลองในระดับมหภาค ${\displaystyle P_{sc}}$

การใช้พลังงานเนื่องจากพลังงานรั่วไหล ( ) เกิดขึ้นในระดับไมโครในทรานซิสเตอร์ กระแสไฟฟ้าปริมาณเล็กน้อยจะไหลผ่านระหว่างส่วนต่างๆ ของทรานซิสเตอร์ที่มีการเจือสารต่างกันอยู่เสมอ ขนาดของกระแสเหล่านี้ขึ้นอยู่กับสถานะของทรานซิสเตอร์ ขนาด คุณสมบัติทางกายภาพ และบางครั้งก็ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ปริมาณกระแสรั่วไหลทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นและขนาดของทรานซิสเตอร์เล็ลง ${\displaystyle P_{leak}}$

การใช้พลังงานทั้งแบบไดนามิกและแบบลัดวงจรขึ้นอยู่กับความถี่สัญญาณนาฬิกา ในขณะที่กระแสรั่วไหลขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของ CPU มีการแสดงให้เห็นว่าการใช้พลังงานของโปรแกรมแสดงพฤติกรรมพลังงานแบบนูน ซึ่งหมายความว่ามีความถี่ CPU ที่เหมาะสมที่สุดซึ่งการใช้พลังงานจะน้อยที่สุดสำหรับงานที่ทำ^{[ 7 ]}

สามารถลดการใช้พลังงานได้หลายวิธี รวมถึงวิธีต่อไปนี้:

• การลดแรงดันไฟฟ้า – ซีพียูแบบสองแรงดันไฟฟ้า , การปรับขนาดแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก , การลดแรงดันไฟฟ้า (undervolting ) เป็นต้น
• การลดความถี่ – การลดความเร็วสัญญาณ นาฬิกา (underclocking) , การปรับขนาดความถี่แบบไดนามิก (dynamic frequency scaling ) เป็นต้น
• การลดค่าความจุ – วงจรรวมแบบรวม (integrated circuits) ที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ได้ เข้ามาแทนที่ลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB traces) ระหว่างชิปสองตัวด้วยการเชื่อมต่อโลหะบนชิป (on-chip metal interconnect) ที่มีค่าความจุต่ำกว่า ระหว่างสองส่วนของชิปรวมตัวเดียว; ฉนวนไดอิเล็กทริกค่าต่ำ (low-κ dielectric ) เป็นต้น
• เทคนิค การควบคุมพลังงานเช่น การควบคุมสัญญาณ นาฬิกา (clock gating)และ การทำงานแบบอะซิงโคร นัสทั่วโลกแต่ซิงโครนัสเฉพาะที่ (globally asynchronous locally synchronous ) ซึ่งอาจมองได้ว่าเป็นการลดค่าความจุที่สลับการทำงานในแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา หรืออาจมองได้ว่าเป็นการลดความถี่สัญญาณนาฬิกาเฉพาะที่ในบางส่วนของชิป
• เทคนิคต่างๆ เพื่อลดกิจกรรมการสลับ – จำนวนการเปลี่ยนสถานะที่ CPU ขับเคลื่อนไปยังบัสข้อมูลภายนอกชิป เช่นบัสแอดเดรส แบบไม่ใช้มัลติ เพ ล็กซ์ การเข้ารหัสบัสเช่นการกำหนดแอดเดรสด้วยรหัสเกรย์ [ ^{8 ]}หรือการเข้ารหัสแคชค่าเช่น โปรโตคอลพลังงาน^{[ 9 ] บางครั้งมีการ ใส่} "ปัจจัยกิจกรรม" ( A ) ลงในสมการข้างต้นเพื่อสะท้อนถึงกิจกรรม^{[ 10 ]}
• ลดความหนาแน่นของทรานซิสเตอร์ลงเพื่อให้ได้ความถี่ที่สูงขึ้น
• การจัดเรียงโซนนำความร้อนเป็นชั้นๆ ภายในโครงสร้างของ CPU ("การตกแต่งประตูด้วยธีมคริสต์มาส")
• การนำพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเก็บประจุอย่างน้อยบางส่วนกลับมาใช้ใหม่ (แทนที่จะปล่อยทิ้งไปเป็นความร้อนในทรานซิสเตอร์) – เช่น วงจรอะเดียแบติก , ตรรกะการกู้คืนพลังงาน เป็นต้น
• การเพิ่มประสิทธิภาพโค้ดเครื่อง - โดยการใช้การเพิ่มประสิทธิภาพคอมไพเลอร์ที่จัดกำหนดการคลัสเตอร์ของคำสั่งโดยใช้ส่วนประกอบทั่วไป พลังงาน CPU ที่ใช้ในการรันแอปพลิเคชันสามารถลดลงได้อย่างมาก^{[ 11 ]}

ในอดีต ผู้ผลิตโปรเซสเซอร์ได้เพิ่มอัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาและการประมวลผลแบบขนานระดับคำสั่ง อย่างต่อเนื่อง ทำให้โค้ดแบบเธรดเดียวทำงานได้เร็วขึ้นบนโปรเซสเซอร์รุ่นใหม่โดยไม่ต้องแก้ไข^{[ 12 ]} เมื่อไม่นานมานี้ เพื่อจัดการกับการใช้พลังงานของ CPU ผู้ผลิตโปรเซสเซอร์จึงนิยม ออกแบบชิป แบบมัลติคอร์ดังนั้นซอฟต์แวร์จึงต้องเขียนใน ลักษณะ มัลติเธรดหรือมัลติโปรเซสเพื่อใช้ประโยชน์จากฮาร์ดแวร์ดังกล่าวอย่างเต็มที่ รูปแบบการพัฒนาแบบมัลติเธรดจำนวนมากทำให้เกิดโอเวอร์เฮด และจะไม่เห็นความเร็วเพิ่มขึ้นแบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับจำนวนโปรเซสเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเข้าถึงทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันหรือขึ้นอยู่กับทรัพยากรอื่น เนื่องจากมี การแย่งชิง การล็อกผลกระทบนี้จะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเมื่อจำนวนโปรเซสเซอร์เพิ่มขึ้น

เมื่อเร็วๆ นี้ IBM ได้สำรวจวิธีการกระจายพลังการประมวลผลอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยเลียนแบบคุณสมบัติการกระจายตัวของสมองมนุษย์^{[ 13 ]}

โปรเซสเซอร์อาจเสียหายจากความร้อนสูงเกินไป แต่ผู้ผลิตจะปกป้องโปรเซสเซอร์ด้วยกลไกป้องกันการทำงาน เช่น การควบคุมความเร็วและการปิดระบบอัตโนมัติ เมื่อคอร์มีอุณหภูมิเกินอุณหภูมิที่ตั้งไว้ โปรเซสเซอร์จะลดพลังงานเพื่อรักษาระดับอุณหภูมิที่ปลอดภัย และหากโปรเซสเซอร์ไม่สามารถรักษาอุณหภูมิการทำงานที่ปลอดภัยได้ด้วยการควบคุมความเร็ว โปรเซสเซอร์จะปิดระบบโดยอัตโนมัติเพื่อป้องกันความเสียหายถาวร^{[ 14 ]}

• ไวค์, มาร์ติน เอช. (1955). การสำรวจระบบคอมพิวเตอร์ดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์ภายในประเทศ (รายงานทางเทคนิค). ห้องปฏิบัติการวิจัยขีปนาวุธ. hdl : 2027/wu.89037555299 . 971. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2006-01-09 – ผ่านทางกระทรวงพาณิชย์แห่งสหรัฐอเมริกา สำนักงานบริการด้านเทคนิค
• http://developer.intel.com/design/itanium2/documentation.htm#datasheets
• http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm
• http://www.intel.com/design/mobile/datashts/24297301.pdf
• http://www.intel.com/design/intarch/prodbref/27331106.pdf
• http://www.via.com.tw/en/products/processors/c7-d/
• https://web.archive.org/web/20090216190358/http://mbsg.intel.com/mbsg/glossary.aspx
• http://download.intel.com/design/Xeon/datashts/25213506.pdf
• http://www.intel.com/Assets/en_US/PDF/datasheet/313079.pdfหน้า 12
• http://support.amd.com/us/Processor_TechDocs/43374.pdfหน้า 10 และ 80

• คู่มืออ้างอิง CPU จากทุกผู้ผลิต ระบุรายละเอียดต่างๆ เช่น กระบวนการผลิต ขนาดชิป ความเร็ว กำลังไฟ ชุดคำสั่ง ฯลฯ
• ข้อมูลจำเพาะทางไฟฟ้าของโปรเซสเซอร์
• SizingLounge  – เครื่องมือคำนวณออนไลน์สำหรับค่าใช้จ่ายด้านพลังงานของเซิร์ฟเวอร์
• สำหรับข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับโปรเซสเซอร์ Intel
• การทำให้ x86 ทำงานได้อย่างเย็นสบาย , 15 เมษายน 2544, โดย Paul DeMone