La respuesta anterior es mayormente correcta. Añadiré algunos puntos más finos aquí. Soy un diseñador de CPUs que se ha jubilado recientemente, y he hecho los cálculos de potencia muchas veces (para ordenadores a escala de servidor y no para móviles, aunque son muy parecidos).
La pérdida de CV2F se describe de forma razonablemente correcta. Recuerde que un condensador ideal no quema realmente ninguna energía; la energía se gasta en la "resistencia" que está cargando o descargando el condensador. En una CPU, esta "resistencia" es en parte la resistencia efectiva del transistor que controla el condensador, y en parte la resistencia en serie de los cables metálicos del circuito.
Como se ha descrito anteriormente, el cálculo es exacto y no proporcional, simplemente porque la "C" es efectivamente una capacitancia efectiva y no real. Lo de "efectiva" engloba varios factores. En primer lugar, y lo más importante, no todos los nodos se encienden en cada ciclo de reloj, ni mucho menos. Para ahorrar energía (lo que es muy importante en las CPUs de hoy en día), los ingenieros de diseño de las CPUs dedican mucho tiempo a averiguar cómo realizar los cálculos conmutando el menor número de nodos posible. En segundo lugar, la "CV2" es, por supuesto, simplemente la potencia necesaria para cargar un condensador. No todos los nodos de una CPU se cargan/descargan al mismo voltaje. Esto se debe en parte a que diferentes partes de la CPU funcionan con diferentes fuentes de alimentación, y en parte a que las complejidades de la física de los semiconductores (por ejemplo, el efecto de cuerpo MOS) impiden que algunos nodos oscilen hasta su tensión de alimentación completa. Así que, sí, las capacitancias efectivas suelen calcularse simplemente para que coincidan con una simulación previa.
Sin embargo, no se mencionó un punto importante. Sin duda ha oído hablar de la "Ley de Moore", por la que los dispositivos semiconductores reducen su tamaño cada pocos años. Uno de los desafortunados efectos secundarios de este escalamiento es que, en cada generación, la potencia CV2F ocupa cada vez menos del presupuesto total de energía y la simple potencia estática ocupa cada vez más. Los nombres elegantes para este tipo de gasto de energía suelen ser "fuga de puerta" y "fuga subumbral". Sin embargo, el resultado final es que este tipo de gasto de energía es insensible a la frecuencia: los circuitos consumen energía tanto si conmutan como si no, siempre que estén conectados a una fuente de alimentación. Como ya se ha dicho, esto supone cada vez más el presupuesto total de energía.
También hay que tener en cuenta que, en el caso de las CPU, se trata de un fenómeno puramente de CC. Salvo un número muy reducido de excepciones, las CPU no utilizan en absoluto la corriente alterna.
Por último, un poco más de detalle sobre su última pregunta. Como ya se ha dicho, los diseñadores de CPUs se esfuerzan mucho por hacer que el menor número de nodos conmute. Si todos los nodos de la CPU conmutaran a la vez, el presupuesto de energía se dispararía. Una de las técnicas de "gran martillo" que se utilizan a menudo es limitar la cantidad de instrucciones que se emiten. Por ejemplo, una CPU de doble núcleo puede utilizar sólo un núcleo. O bien, cualquier núcleo que sea capaz de emitir cuatro instrucciones por ciclo puede limitarse a emitir sólo dos. O bien (dado que el cálculo en coma flotante consume mucha energía), una CPU podría desactivar las instrucciones de coma flotante durante un breve periodo de tiempo. Sea cual sea el mecanismo utilizado, hay varias formas de activar y desactivar las restricciones. Algunas CPUs tendrán la capacidad de controlar su capacidad efectiva sobre la marcha y restringirse en consecuencia. Otras pueden depender de que el sistema operativo lea un sensor de temperatura en algún lugar y acelere la CPU cuando sea necesario. En otras CPUs, el mecanismo de control de la energía no tiene nada que ver con el estrangulamiento; en su lugar, reducen tanto su voltaje como su frecuencia de reloj. (Hay que tener en cuenta que al bajar el voltaje de una CPU se reduce la corriente que pueden suministrar los transistores, lo que obliga a bajar también la frecuencia). También es bastante común que un programa externo (como el "cpulimit" del que hablas) pueda decirle al chip que se estrangule. Cualquiera que sea la razón, este estrangulamiento limitará la potencia de la CPU (y por lo tanto bajará la temperatura) por las razones obvias. Esta limitando el trabajo que la CPU esta haciendo, y por lo tanto reduciendo el numero de nodos que conmutan, y por lo tanto bajando la capacitancia efectiva. O, de nuevo, dependiendo de la CPU, obligará a la CPU a bajar el voltaje y la frecuencia, con el mismo efecto.
