Qu’est-ce que le TDP ?

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Toutes les puces électroniques (et notamment les CPU et les GPU) ont une caractéristique nommée TDP. Cette notion est floue pour beaucoup. Qu’est-ce que cela veut dire et qu’est-ce que c’est ?

Difficulté : Avancée

De quoi on parle ?

Pour expliquer ce qu’est le TDP, on doit déjà déconstruire certains préjugés. Et on ne va pas y aller par 4 chemins : le TDP n’est pas la consommation de la puce et n’a rien à voir avec cette dernière.

PC en feu

Le TDP signifie Thermal Design Power (en Français « Enveloppe Thermique ») et est une valeur qui s’exprime en Watt. C’est d’ailleurs pourquoi les gens confondent le TDP avec la « consommation » d’une puce. Notez les guillemets, car normalement c’est la PUISSANCE d’une puce, car une consommation est une puissance fois du temps, des Watt.heures… l’amalgame entre puissance et consommation est courante chez les gens. Des Watts cela veut dire une puissance, mais pas forcément une puissance électrique. Ici il est question de puissance thermique.

Avant de rentrer dans le détail de comment ce chiffre sort, nous allons vous en expliquer les grandes lignes.

La base :

Un TDP est une valeur qui se calcule à la suite d’une expérience dans un laboratoire. Elle ne se mesure pas, mais se calcule avec une formule que l’on va détailler plus bas.

Le TDP indique l’enveloppe thermique et donc quel système de refroidissement est nécessaire pour refroidir la puce. Ni plus ni moins. Un gros TDP indique un besoin de gros refroidissement, un petit TDP indique un besoin d’un moins gros refroidissement. Deux processeurs ayant une consommation identique peuvent dans l’absolu avoir un TDP différent.

Bon maintenant que la base est posée, nous allons pouvoir expliquer le détail.

Des expériences de scientifiques fous :

Avant toute chose, le constructeur choisit une température nommée tCase. C’est la température maximum conseillée du heatspreader du processeur. Il ne faut pas confondre avec le tjmax qui est la température maximum du processeur. Si le tjmax est atteint, le CPU throttle voir se coupe. Le constructeur peut par exemple dire « allez je vais partir sur tCase = 70°C ».

savant fouÀ partir de là, ils vont mener toute une série d’expérience en labo. Le principe de cette série d’expériences est, pour une température ambiante donnée (tAmbiant), de déterminer quel est le refroidissement minimal (Θca) qui permette au processeur de rester en dessous du seuil tCase choisit précédemment. Cette valeur tAmbiant correspond à la température dans la vraie vie à la température de l’intérieur de notre boîtier.

Chaque système de refroidissement de test à une valeur de résistance thermique, en °C/W. Plus cette valeur est faible, meilleur est le refroidissement.

Pour revenir à l’expérience, ils vont donc déterminer une température ambiante, par exemple 40°C. En effet, ils aiment souvent prendre des valeurs assez hautes au cas où le boîtier soit mal ventilé, coucou les laptops !

Un petit exemple :

Imaginons donc notre processeur fictif où le constructeur avait choisi un tCase à 70°C et une tAmbiant à 40°C. Ils font alors leur suite d’expérience, en diminuant à chaque fois la taille du radiateur, pour voir à quel moment le processeur dépassera la limite des 70°C dans le cas d’une utilisation très forte.

température radiateur TDPPremière expérience avec un gros radiateur avec une résistance thermique de 0.15 °C/W. Aucun problème, le processeur reste sous les 70°C. Ils mettent à chaque fois des ventirads moins gros (par exemple 0.20 °C/W, puis 0.22 °C/W, puis 0.25°C/W puis 0.27°C/W). Et ils voient qu’avec 0.25°C/W, ils arrivent à maintenir le processeur sous les 70°C du tCase, alors qu’avec celui à 0.27°C/W le processeur dépasse la limite. Il est alors considéré que le radiateur à 0.25°C/W est le refroidissement minimal.

La Formule magique :

Et c’est là qu’intervient la formule de calcul du TDP. Elle utilise seulement ces 3 valeurs que l’on a expliquées : le tCase, le tAmbiant et le Θca (la résistance thermique du radiateur minimal qui permet de maintenir le processeur sous le tCase).

 

Voici la formule : TDP = (tCase – tAmbiant) / Θca

Dans notre cas, cela fait : TDP = (70 – 40) / 0.25 = 120 W

Voilà le TDP est maintenant calculé. Comme vous avez pu remarquer, à aucun moment la consommation du processeur n’est entrée en ligne de compte. Tout n’a été ici qu’une histoire de température et de dissipation thermique.

Magouiller le TDP ?

Et cette valeur, à quoi sert-elle ? Elle sert principalement aux OEM afin qu’ils dimensionnent leur refroidissement à une gamme de processeurs. Mais finalement, qu’est-ce qui va faire qu’un CPU (ou GPU) a un fort TDP et un autre non, ou comment on peut influer sur le TDP ?

Déjà, le premier point : le tCase. On avait dit au début que le fabricant choisissait une  température seuil. Mais qu’est-ce qui les empêcherait de choisir une température maximum plus élevée (donc beaucoup moins contraignante) ? Rien du tout.

S’ils choisissent une température max plus élevée, mettons 80°C par exemple, à la suite de leur expérience, ils verraient par exemple qu’un radiateur avec résistance de 0.4 °C/W suffirait à le maintenir sous les 80°C. Auquel cas le TDP deviendrait (80-40)/0.40 = 100 W. Hop, en augmentant arbitrairement la température maximum, ils obtiennent un TDP plus bas. Et c’est logique : si on est plus laxiste quant à la température, le refroidissement nécessaire est moins gros.

flux de chaleur PCIl en va de même pour la tAmbiant : ils pourraient baisser la température ambiante lors de leurs tests en labo, et cela aurait pour conséquence de diminuer le TDP. Mais après ils prennent le risque que la valeur qu’ils obtiennent à la fin ne prenne pas en compte les boîtiers mal ventilés par exemple. Et la dernière chose qu’un constructeur souhaite, ce sont les retours en SAV ou des OEM insatisfaits.

Joint en indium vs Nutella :

Enfin, la consommation influe forcément sur le TDP puisqu’un CPU qui chauffe aura mécaniquement une température plus élevée sur un refroidissement donné. Mais l’influence n’est pas directe sur le TDP, comme on l’a vu un peu plus haut. Imaginons maintenant notre processeur hypothétique précédent avec un TDP de 120 W ( avec le calcul suivant : (70-40)/0.25).

pâte thermique interneImaginons que le constructeur décide de remplacer le joint en indium par une pâte thermique interne. La conséquence directe est que le processeur va plus chauffer, même si la consommation reste identique. Mais que cette chauffe sera moins transmise au heatspreader (IHS) donnant donc une baisse de la température de ce dernier. Mais d’un autre côté, les calories du CPU sont plus difficiles à évacuer (puisqu’il y a une sorte de bottleneck au niveau du joint thermique), ce qui augmenter la température interne du processeur. Et donc, selon les cas, le TDP peut augmenter, ou diminuer, alors que le processeur reste identique, si ce n’est le joint thermique.

Par exemple, Intel avait changé son type de joint thermique entre le i7 2600K et le i7 3770K. Rappelez-vous le passage d’une soudure en indium à une pâte thermique. Et si on va voir les spécifications de ces derniers, le i7 3770K avait un tCase maximum plus faible (il passe de 72.6°C à 67.4°C), mais un Tjmax plus élevé (il passe de 98°C à 105°C). En a résulté un TDP qui est resté stable par rapport au 2600K (il baisse de quelques Watts tandis que la consommation a elle aussi baissé de quelques Watts).

Enfin, la dernière problématique est : « dans quelles conditions de charge CPU exactement sont faites ces mesures ? ». Il y a une différence nette de charge pour un CPU entre un jeu vidéo, une création 3D, un encodage en AVX ou un torture test.

TDP et consommation :

Voilà ce qu’est le TDP. Mais pour finir, nous allons vous parler brièvement des autres utilisations de cette valeur. Certains constructeurs utilisent, dans de certaines limites bien sûr, la valeur du TDP comme une limite de consommation. Le processeur peut throttle s’il la dépasse, c’est le fameux power throttle.

consommationCe principe, très utilisé, est un peu particulier dans la logique. En effet, dans ce cas on calcule normalement un TDP d’après expérience, puis on s’en sert comme limitation de consommation, ce qui affecte l’expérience précédemment effectuée. En fait dans la pratique, on peut penser que le constructeur choisit un TDP avant l’expérience, y applique la limite de consommation dans le processeur, et réalise l’expérience, qui permet d’arriver à la valeur finale du TDP déjà choisit. Cela a un effet un peu auto-réalisateur, un peu comme une boucle de rétro-action.

C’est particulièrement le cas chez les AMD A-series qui ont des TDP « variables » (on peut choisir entre 95W et 65 W par exemple, auquel cas la fréquence de fonctionnement diffère, ainsi que la consommation au final). Et sans même parler de TDP variable, le simple fait d’introduire une fréquence Turbo qui diffère selon le nombre de cœurs utilisés permet au processeur de rester dans les clous même avoir une grosse charge multithread, tout en ayant une bonne fréquence lorsque peu de threads sont utilisés.

Dans tous les cas, utiliser la valeur d’un TDP comme une limite de consommation correspond à une utilisation supplémentaire de cette valeur, mais ne remet absolument pas en cause son origine, qui est complètement séparée, en théorie du moins, de la consommation.

La morale de cette histoire, la rirette … 

La morale de tout cela, est qu’il ne faut pas faire passer le TDP pour ce qu’il n’est pas. Ce n’est pas une mesure de consommation, mais une valeur calculée de dégagement thermique (et donc de refroidissement adéquat). Cette valeur peut être utilisée comme limite de consommation, ou ne pas l’être, mais ce n’est pas forcément la raison d’être de cette valeur. Cela a été détourné avec l’avènement du Turbo et consort notamment. C’est la raison pour laquelle vous verrez souvent écris « tel processeur a dépassé son TDP », ce qui ne rend pas la valeur du TDP fausse pour autant.

En espérant vous avoir éclairci ce mystère, finissons par une touche de bonne humeur :

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BASILEJackfildefer Auteurs de commentaires récents
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BASILE
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BASILE

ouiai là vraiment je pensé que le tdp était la consommation électrique.
exellent sujet merci!!!!

Jack
Membre
Jack

C’est pour cela que le TDP des core i5 2500k ou i7 2600k (par exemple) est de 95w, mais consomment 65-75w au max (sans OC)
Tout comme les Broadwell qui ont un tdp variable (de 35 à 65w) et consomment
moins de 30w si le iGpu est déactivé suivant les cas.

Mais cela deviens rare de nos jour d’avoir une config i7k qui bouffe moins de 60w en naviguant sur la toile (écran de 25w de conso inclus)

fildefer
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fildefer

Oua c’est bcp plus complexe que ce que j’imaginais ! Je pensais juste que c’était une limite de consommation ..