กำลังการออกแบบความร้อน ( TDP ) หรือที่รู้จักกันในชื่อจุดออกแบบความร้อนคือปริมาณความร้อน สูงสุด ที่ส่วนประกอบของคอมพิวเตอร์ ( CPU , GPUหรือระบบบนชิป ) สามารถสร้างขึ้นได้ และระบบระบายความร้อนได้รับการออกแบบมาเพื่อระบายความร้อน นั้น ในระหว่างการทำงานปกติที่ความเร็วสัญญาณนาฬิกาที่ไม่ใช่ความเร็วเทอร์โบ (ความถี่พื้นฐาน)

บางแหล่งข้อมูลระบุว่า กำลังไฟฟ้าสูงสุดของไมโครโปรเซสเซอร์มักจะเป็น 1.5 เท่าของค่า TDP ^{[ 1 ]} เป็นที่ทราบกันดีว่า หน่วยประมวลผลกราฟิกมีความแตกต่างระหว่างกำลังไฟฟ้าสูงสุดและค่า TDP มากยิ่งขึ้น^{[ 2 ]}

ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยของ CPU ( ACP ) คือปริมาณการใช้พลังงานของหน่วยประมวลผลกลางโดยเฉพาะ หน่วยประมวล ผลเซิร์ฟเวอร์ภายใต้การใช้งานประจำวันโดยเฉลี่ย ตามที่Advanced Micro Devices (AMD) กำหนดไว้สำหรับหน่วยประมวลผลในกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ใช้สถาปัตยกรรมK10 ( เช่น หน่วยประมวลผล Opteron 8300 และ 2300 ซีรีส์ ) ส่วนค่ากำลังการออกแบบความร้อน (TDP) ของ Intel ซึ่งใช้สำหรับหน่วยประมวลผล Pentium และ Core 2 นั้น วัดปริมาณการใช้พลังงานภายใต้ภาระงานสูง โดยจะมีค่าสูงกว่าค่า ACP เฉลี่ยของหน่วยประมวลผลเดียวกันเล็กน้อย

ตามข้อมูลของ AMD การจัดอันดับ ACP นั้นรวมถึงการใช้พลังงานเมื่อทำการทดสอบประสิทธิภาพหลายรายการ รวมถึงTPC-C , SPECcpu2006 , SPECjbb2005และ STREAM Benchmark ^{[ 4 ]} ( แบนด์วิดท์หน่วยความจำ ) ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}ซึ่ง AMD กล่าวว่าเป็นวิธีการวัดการใช้พลังงานที่เหมาะสมสำหรับศูนย์ข้อมูลและสภาพแวดล้อมการทำงานที่ใช้เซิร์ฟเวอร์อย่างหนัก AMD กล่าวว่าค่า ACP และ TDP ของโปรเซสเซอร์จะถูกระบุไว้ทั้งคู่และไม่สามารถใช้แทนกันได้โปรเซสเซอร์เซิร์ฟเวอร์ Barcelona และรุ่นต่อมาจะมีค่าพลังงานสองค่า

ในบางกรณี ค่า TDP ของ CPU ถูกประเมินต่ำเกินไป ส่งผลให้แอปพลิเคชันจริงบางอย่าง (โดยทั่วไปคือแอปพลิเคชันที่ทำงานหนัก เช่น การเข้ารหัสวิดีโอหรือเกม) ทำให้ CPU ทำงานเกินค่า TDP ที่ระบุไว้ และทำให้ระบบระบายความร้อนของคอมพิวเตอร์ทำงานหนักเกินไป ในกรณีนี้ CPU จะทำให้ระบบล้มเหลว (เกิด "therm-trip") หรือลดความเร็วลง^{[ 8 ]}โปรเซสเซอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่จะทำให้เกิด therm-trip เฉพาะเมื่อระบบระบายความร้อนล้มเหลวอย่างรุนแรง เช่น พัดลมเสียหรือฮีทซิงค์ติดตั้งไม่ถูกต้อง

ตัวอย่างเช่นระบบระบายความร้อน CPU ของ  แล็ปท็อป อาจได้รับการออกแบบให้มีค่า TDP 20 วัตต์ซึ่งหมายความว่าสามารถระบายความร้อนได้สูงสุด 20 วัตต์โดยไม่เกินอุณหภูมิ สูงสุด ของ CPU ระบบระบายความร้อนสามารถทำได้โดยใช้วิธีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ (เช่น การนำความร้อนร่วมกับการพาความร้อนแบบบังคับ) เช่น ฮีทซิงค์ที่มีพัดลมหรือวิธีการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ สองวิธี ได้แก่ การแผ่รังสีความร้อนหรือการนำความร้อนโดยทั่วไปแล้วจะใช้การผสมผสานของวิธีการเหล่านี้

เนื่องจากค่าความปลอดภัยและนิยามของการใช้งานจริงแตกต่างกันไปในแต่ละผู้ผลิต ค่า TDP ระหว่างผู้ผลิตต่าง ๆ จึงไม่สามารถนำมาเปรียบเทียบกันได้อย่างแม่นยำ (ตัวอย่างเช่น โปรเซสเซอร์ที่มีค่า TDP 100 วัตต์ จะใช้พลังงานมากกว่าโปรเซสเซอร์ที่มีค่า TDP น้อยกว่านั้นอย่างแน่นอน และอาจมากกว่าโปรเซสเซอร์ที่มีค่า TDP ต่ำกว่าจากผู้ผลิตรายเดียวกันด้วย แต่ก็อาจจะใช้พลังงานมากกว่าโปรเซสเซอร์จากผู้ผลิตรายอื่นที่มีค่า TDP ไม่ต่ำกว่ามาก เช่น 90 วัตต์ หรือไม่ก็ได้) นอกจากนี้ ค่า TDP มักจะระบุไว้สำหรับตระกูลของโปรเซสเซอร์ โดยรุ่นล่างสุดมักจะใช้พลังงานน้อยกว่ารุ่นบนสุดของตระกูลอย่างมาก

จนกระทั่งราวปี 2549 AMDเคยรายงานการใช้พลังงานสูงสุดของโปรเซสเซอร์เป็นค่า TDP Intelได้เปลี่ยนแนวปฏิบัตินี้ด้วยการเปิดตัวโปรเซสเซอร์ตระกูลConroe ^{[ 9 ]} Intel คำนวณค่า TDP ของชิปที่ระบุตามปริมาณพลังงานที่พัดลมและฮีทซิงค์ของคอมพิวเตอร์ต้องสามารถระบายออกได้ในขณะที่ชิปทำงานภายใต้ภาระต่อเนื่อง การใช้พลังงานจริงอาจสูงกว่าหรือต่ำกว่าค่า TDP มาก แต่ตัวเลขนี้มีจุดประสงค์เพื่อให้คำแนะนำแก่วิศวกรที่ออกแบบโซลูชันการระบายความร้อนสำหรับผลิตภัณฑ์ของตน^{[ 10 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การวัดของ Intel ยังไม่ได้คำนึงถึงIntel Turbo Boost อย่างเต็มที่ เนื่องจากข้อจำกัดด้านเวลาเริ่มต้น ในขณะที่ AMD คำนึงถึงเพราะAMD Turbo Coreพยายามผลักดันให้ได้พลังงานสูงสุดเสมอ^{[ 11 ]}

ข้อกำหนด TDP สำหรับโปรเซสเซอร์บางตัวอาจอนุญาตให้ทำงานภายใต้ระดับพลังงานที่แตกต่างกันได้หลายระดับ ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งาน ความสามารถในการระบายความร้อนที่มีอยู่ และการใช้พลังงานที่ต้องการ เทคโนโลยีที่ให้ TDP ที่ปรับเปลี่ยนได้ดังกล่าว ได้แก่configurable TDP ( cTDP ) และscenario design power ( SDP ) ของIntelและTDP power cap ของAMD

TDP ที่กำหนดค่าได้ ( cTDP ) หรือที่รู้จักกันในชื่อTDP ที่ตั้งโปรแกรมได้หรือTDP ขีดจำกัดพลังงานเป็นโหมดการทำงานของโปรเซสเซอร์มือถือ Intel รุ่นหลังๆ (ตั้งแต่เดือนมกราคม 2014) และโปรเซสเซอร์ AMD (ตั้งแต่เดือนมิถุนายน 2012) ที่อนุญาตให้ปรับค่า TDP ได้ การปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของโปรเซสเซอร์และระดับประสิทธิภาพจะทำให้การใช้พลังงานของโปรเซสเซอร์เปลี่ยนแปลงไปพร้อมกับการเปลี่ยนแปลง TDP ในเวลาเดียวกัน ด้วยวิธีนี้ โปรเซสเซอร์สามารถทำงานที่ระดับประสิทธิภาพที่สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ ขึ้นอยู่กับความสามารถในการระบายความร้อนที่มีอยู่และการใช้พลังงานที่ต้องการ^{[ 12 ] : 69–72 [ 13 ] [ 14 ]}

โดยทั่วไป cTDP จะมีโหมดการทำงานสามโหมด (แต่ไม่จำกัดเพียงเท่านี้): ^{[ 12 ] : 71–72}

• ค่า TDP ที่ระบุ  – ความถี่และค่า TDP ที่กำหนดของโปรเซสเซอร์
• cTDP down  – เมื่อต้องการโหมดการทำงานที่เย็นกว่าหรือเงียบกว่า โหมดนี้จะระบุค่า TDP ที่ต่ำกว่าและความถี่ที่รับประกันต่ำกว่าเมื่อเทียบกับโหมดปกติ
• cTDP up  – เมื่อมีระบบระบายความร้อนเพิ่มเติม โหมดนี้จะระบุค่า TDP ที่สูงขึ้นและความถี่ที่รับประกันได้สูงกว่าโหมดปกติ

ตัวอย่างเช่น โปรเซสเซอร์ Haswell สำหรับอุปกรณ์พกพา บางรุ่น รองรับโหมด cTDP ขึ้น, cTDP ลง หรือทั้งสองโหมด^{[ 15 ]}อีกตัวอย่างหนึ่งคือ โปรเซสเซอร์ AMD OpteronและKaveri APU บางรุ่น สามารถกำหนดค่าให้มีค่า TDP ต่ำลงได้^{[ 14 ]} โปรเซสเซอร์ POWER8ของ IBM ใช้ฟังก์ชันการจำกัดพลังงานที่คล้ายกันผ่านตัวควบคุมแบบฝังตัวบนชิป (OCC) ^{[ 16 ]}

Intel ได้แนะนำพลังงานการออกแบบสถานการณ์ ( SDP ) สำหรับโปรเซสเซอร์ Y-series ที่ใช้พลังงานต่ำบางรุ่นในปี 2013 ^{[ 17 ] [ 18 ]}โดยอธิบายว่าเป็น "จุดอ้างอิงความร้อนเพิ่มเติมที่ออกแบบมาเพื่อแสดงถึงการใช้งานอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับความร้อนในสถานการณ์สภาพแวดล้อมจริง" ^{[ 19 ]}ในฐานะการจัดอันดับพลังงาน SDP ไม่ใช่สถานะพลังงานเพิ่มเติมของโปรเซสเซอร์ แต่ระบุการใช้พลังงานเฉลี่ยของโปรเซสเซอร์โดยใช้โปรแกรมมาตรฐานผสมกันเพื่อจำลองสถานการณ์ "ในโลกแห่งความเป็นจริง" ^{[ 17 ] [ 20 ] [ 21 ]}

ดังที่ผู้เขียนและผู้ใช้บางรายได้สังเกตไว้ ค่ากำลังการออกแบบความร้อน (TDP) เป็นพารามิเตอร์ที่ไม่ชัดเจน^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}ในความเป็นจริง ผู้ผลิตแต่ละรายกำหนดค่า TDP โดยใช้วิธีการคำนวณและเงื่อนไขการทำงานที่แตกต่างกัน โดยแทบจะไม่เปิดเผยรายละเอียดเหล่านี้ (ยกเว้นเพียงไม่กี่กรณี) ทำให้การเปรียบเทียบอุปกรณ์ที่คล้ายกันซึ่งผลิตโดยผู้ผลิตที่แตกต่างกันโดยพิจารณาจากค่า TDP เป็นเรื่องยากมาก (หากไม่ใช่เป็นไปไม่ได้) และการปรับปรุงการออกแบบระบบระบายความร้อนทั้งในด้านการจัดการความร้อนและต้นทุนก็เป็นเรื่องยากเช่นกัน

เพื่อให้เข้าใจปัญหาได้ดีขึ้น เราต้องจดจำแนวคิดพื้นฐานเกี่ยวกับการจัดการความร้อนและ การระบายความร้อน ของคอมพิวเตอร์^{[ 27 ]}ลองพิจารณา เส้นทาง การนำความร้อนจาก เคส CPUไปยังอากาศโดยรอบผ่านฮีทซิงค์โดยมี:

Pd ( วัตต์ ) = กำลัง ความร้อน ที่เกิดจากซีพียูและต้องระบายออกสู่สิ่งแวดล้อมผ่านฮีทซิงค์ ที่เหมาะสม ซึ่งสอดคล้องกับกำลังไฟฟ้ารวมที่ดึงมาจากรางจ่ายไฟกระแสตรงของซีพียู

Rca ( °C /W) = ค่าความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ระหว่างตัวเคสของซีพียูและอากาศโดยรอบ

Tc ( °C ) = อุณหภูมิสูงสุดที่อนุญาตสำหรับ เคสของ CPU (เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุด)

Ta ( °C ) = อุณหภูมิแวดล้อมสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้นที่ทางเข้าของพัดลมระบายความร้อน

พารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้เชื่อมโยงกันด้วยสมการ ต่อไปนี้ :

${\displaystyle (Tc-Ta)=Pd\cdot Rca}$

ดังนั้น เมื่อเรารู้ค่ากำลังความร้อนที่ต้องระบายออก (Pd) อุณหภูมิเคสสูงสุดที่อนุญาต (Tc) ของซีพียูและอุณหภูมิแวดล้อมสูงสุดที่คาดว่าจะเกิดขึ้น (Ta) ของอากาศที่เข้าสู่พัดลมระบายความร้อนแล้ว เราก็สามารถกำหนดคุณลักษณะพื้นฐานของฮีทซิงค์ ที่ต้องการได้ นั่นคือ ค่าความต้านทานความร้อน Rca ดังนี้:

${\displaystyle Rca={\frac {(Tc-Ta)}{Pd}}}$

สมการนี้สามารถจัดเรียงใหม่ได้โดยเขียนว่า

${\displaystyle Pd={\frac {(Tc-Ta)}{Rca}}}$

โดยที่ Pd สามารถแทนที่ด้วยกำลังการออกแบบความร้อน (TDP) ได้

โปรดทราบว่า เส้นทางการระบายความร้อนจากซีพียูไปยังอากาศโดยรอบที่ไหลผ่านแผงวงจรพิมพ์ของเมนบอร์ดนั้น มีความต้านทานความร้อนสูงกว่าฮีทซิงค์ หลายเท่า ดังนั้นจึงสามารถละเลยได้ในการคำนวณเหล่านี้

เมื่อทราบข้อมูลป้อนเข้าทั้งหมดแล้ว สูตรก่อนหน้านี้จะช่วยให้สามารถเลือกฮีทซิงค์ของCPUที่มีค่าความต้านทานความร้อน Rca ที่เหมาะสมระหว่างเคสและอากาศโดยรอบ ซึ่งเพียงพอที่จะรักษาอุณหภูมิสูงสุดของเคสให้อยู่ที่หรือต่ำกว่าค่า Tc ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า

ในทางตรงกันข้าม เมื่อพูดถึงค่ากำลังการออกแบบความร้อน (TDP) ความคลุมเครือมักเกิดขึ้น เนื่องจาก ผู้ผลิต ซีพียูมักไม่เปิดเผยเงื่อนไขที่แน่นอนในการกำหนดค่าพารามิเตอร์นี้ โดยปกติแล้วจะไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิเคสสูงสุดที่ยอมรับได้ (Tc) เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพตามที่กำหนด รวมถึงอุณหภูมิแวดล้อม (Ta) ที่สอดคล้องกัน และที่สำคัญที่สุดคือ รายละเอียดเกี่ยวกับภาระงานทดสอบการคำนวณเฉพาะ

ตัวอย่างเช่น หน้าสนับสนุนทั่วไปของ Intelระบุสั้นๆ ว่า TDP หมายถึง "การใช้พลังงานภายใต้ภาระทางทฤษฎีสูงสุด" ^{[ 28 ]}นอกจากนี้ยังแจ้งให้ทราบว่าตั้งแต่ซีพียู รุ่นที่ 12 เป็นต้นไป คำว่าThermal Design Power (TDP)ได้ถูกแทนที่ด้วยProcessor Base Power (PBP) [ ^{29 ] ใน}หน้าสนับสนุนที่เกี่ยวกับโปรเซสเซอร์Core i7-7700 Intelกำหนด TDP ว่าเป็นปริมาณความร้อนสูงสุดที่โปรเซสเซอร์สามารถสร้างได้เมื่อใช้งานแอปพลิเคชันในชีวิตจริง^{[ 30 ]}โดยไม่ได้บอกว่า "แอปพลิเคชันในชีวิตจริง" เหล่านั้นคืออะไร อีกตัวอย่างหนึ่ง: ในเอกสารไวท์เปเปอร์ปี 2011 ที่เปรียบเทียบโปรเซสเซอร์Xeon กับ อุปกรณ์คู่แข่งของAMD Intelกำหนด TDP ว่าเป็นจุดสูงสุดของโปรไฟล์ความร้อนที่วัดที่อุณหภูมิเคสสูงสุด แต่ไม่ได้ระบุว่าอุณหภูมินี้ควรเป็นเท่าใด (หรือภาระการประมวลผล) ^{[ 31 ]} คำจำกัดความทั้งหมดเหล่านี้บ่งบอกว่าCPUทำงานที่อัตราความเร็วสัญญาณนาฬิกาพื้นฐาน (ไม่ใช่เทอร์โบ)

สรุปแล้ว:

• การเปรียบเทียบค่า TDP ระหว่างอุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างกันนั้นไม่ค่อยมีความหมายนัก
• การเลือกฮีทซิงค์อาจส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไป (และ ประสิทธิภาพ ของ CPUลดลง) หรือความเย็นมากเกินไป ( ฮีทซิงค์ ขนาดใหญ่และราคาแพงเกินไป ) ขึ้นอยู่กับว่าเลือกอุณหภูมิเคส Tc สูงหรือต่ำเกินไป (ซึ่งตรงกับอุณหภูมิแวดล้อม Ta ที่ต่ำหรือสูงเกินไปตามลำดับ) หรือขึ้นอยู่กับว่าCPUทำงานภายใต้ภาระการคำนวณที่แตกต่างกัน หรือไม่
• แนวทางที่เป็นไปได้ในการรับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนานของCPUคือการสอบถามผู้ผลิตเกี่ยวกับอุณหภูมิเคสสูงสุดที่แนะนำ Tc แล้วจึงออกแบบระบบระบายความร้อนให้มีขนาดใหญ่กว่าที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ระยะปลอดภัยที่คำนึงถึงการโอเวอร์คล็อก แบบเทอร์โบ อาจพิจารณาพลังงานความร้อนที่ 1.5 เท่าของ TDP ที่กำหนดไว้ ไม่ว่าในกรณีใด ยิ่ง อุณหภูมิรอยต่อซิลิคอนต่ำลง เท่าใด อายุการใช้งานของอุปกรณ์ก็จะยิ่งยาวนานขึ้นเท่านั้น ตามปัจจัยเร่งความเร็ว ที่แสดงอย่างคร่าวๆ โดยใช้สมการ Arrhenius ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

ในเดือนตุลาคม 2019 คู่มือฮาร์ดแวร์ GamersNexus ^{[ 26 ] [ 35 ]}แสดงตารางที่มีค่าอุณหภูมิเคสและอุณหภูมิแวดล้อมที่ได้รับโดยตรงจากAMDซึ่งอธิบายค่า TDP ของซีพียูRyzen 5, 7 และ 9 บางรุ่น สูตรที่เชื่อมโยงพารามิเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้ ซึ่งกำหนดโดยAMDนั้นเป็นสูตรปกติ

${\displaystyle TDP=(Tc-Ta)/Rca}$

ค่า TPD ที่ระบุไว้ของอุปกรณ์เหล่านี้มีตั้งแต่ 65 วัตต์ถึง 105 วัตต์ อุณหภูมิแวดล้อมที่AMD พิจารณา คือ +42 องศาเซลเซียสและอุณหภูมิของตัวเครื่องมีตั้งแต่ +61.8 องศาเซลเซียสถึง +69.3 องศาเซลเซียส ในขณะที่ค่าความต้านทานความร้อนจากตัวเครื่องถึงอุณหภูมิแวดล้อมมีตั้งแต่ 0.189 ถึง 0.420 องศาเซลเซียส/วัตต์

• AMD Turbo Core
• การเกิดความร้อนในวงจรรวม
• อินเทล เทอร์โบ บูสต์
• อุณหภูมิในการทำงาน
• พิกัดกำลัง

• รายละเอียดเกี่ยวกับ AMD Bulldozer: Opterons จะมีคุณสมบัติ TDP ที่ปรับแต่งได้ , AnandTech , 15 กรกฎาคม 2011, โดย Johan De Gelas และ Kristian Vättö
• การทำให้ x86 ทำงานได้อย่างเย็นสบาย , 15 เมษายน 2544, โดย Paul DeMone