Динамическое масштабирование частоты

Динамическое масштабирование частоты (также известное как регулирование ЦП ) — это метод управления питанием в компьютерной архитектуре , при котором частота микропроцессора может автоматически регулироваться «на лету» в зависимости от фактических потребностей для экономии энергии и уменьшения количества тепла, выделяемого процессором. чип. Динамическое масштабирование частоты помогает экономить заряд батареи на мобильных устройствах, снижать затраты на охлаждение и шум при тихих компьютерных настройках или может быть полезно в качестве меры безопасности для перегретых систем (например, после плохого разгона ).

Динамическое масштабирование частоты почти всегда происходит в сочетании с динамическим масштабированием напряжения , поскольку более высокие частоты требуют более высоких напряжений питания, чтобы цифровая схема давала правильные результаты. Объединенная тема известна как динамическое масштабирование напряжения и частоты ( DVFS ).

Операция

Динамическая мощность ( коммутационная мощность ), рассеиваемая чипом, равна C·V. ²·A·f , где C — емкость , переключаемая за такт, V — напряжение , A — коэффициент активности. ^[1] указывает среднее количество событий переключения за такт транзисторов в чипе (как безразмерная величина), а f — тактовая частота. ^[2]

Таким образом, напряжение является основным фактором, определяющим энергопотребление и нагрев. ^[3] Напряжение, необходимое для стабильной работы, определяется частотой, на которой тактируется схема, и может быть уменьшено, если уменьшить и частоту. ^[4] Однако сама по себе динамическая мощность не учитывает общую мощность чипа, поскольку существует также статическая мощность, которая возникает в первую очередь из-за различных токов утечки. Из-за статического энергопотребления и асимптотического времени выполнения было показано, что энергопотребление программного обеспечения имеет выпуклый энергетический характер, т. е. существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимизируется. ^[5] Ток утечки становится все более важным, поскольку размеры транзисторов становятся меньше, а пороговые уровни напряжения снижаются. Десять лет назад динамическая мощность составляла примерно две трети общей мощности чипа. Потери мощности из-за токов утечки в современных процессорах и однокристальных системах имеют тенденцию доминировать в общем энергопотреблении. В попытке контролировать мощность утечки металлические затворы с высоким коэффициентом k обычными методами были и силовые затворы.

Динамическое масштабирование напряжения — это еще один метод сохранения мощности, который часто используется в сочетании с масштабированием частоты, поскольку частота, на которой может работать чип, связана с рабочим напряжением.

Эффективность некоторых электрических компонентов, таких как регуляторы напряжения, снижается с повышением температуры, поэтому энергопотребление может увеличиваться с увеличением температуры. Поскольку увеличение энергопотребления может привести к повышению температуры, увеличение напряжения или частоты может привести к увеличению потребляемой мощности системы даже больше, чем указано в формуле КМОП, и наоборот. ^[6]^[7]

Стандартный интерфейс

ACPI 1.0 (1996) определяет способ перехода ЦП в состояние ожидания «C», но не определяет систему масштабирования частоты.

ACPI 2.0 (2000 г.) представляет систему P-состояний (состояний мощности), которую процессор может использовать для передачи возможных настроек частоты и мощности в ОС. Затем операционная система устанавливает необходимую скорость, переключаясь между этими состояниями. SpeedStep, PowerNow!/Cool'n'Quiet и PowerSaver работают в состояниях P. Максимум — 16 штатов. ^[8]

ACPI 5.0 (2011 г.) представляет совместный контроль производительности процессоров (CPPC), предоставляя ОС сотни уровней производительности для выбора в форме «уровня производительности», абстрагированного от частоты. Эта абстракция предоставляет процессору некоторую свободу в настройке своей работы не только по частоте. ^[9]^[10]^[11]

Автономное масштабирование частоты

Ряд современных процессоров могут выполнять масштабирование частоты автономно, используя диапазон уровней производительности и подсказку «предпочтения эффективности/производительности» ОС.

Процессоры Intel, начиная с Skylake, поддерживают аппаратно управляемые P-состояния , используя регистр конкретной модели в качестве канала управления. ^[12]^[13]
Процессоры AMD, начиная с Zen 2, поддерживают аналогичную функцию. В отличие от функции Intel, это зависит от включения CPPC. Предпочтительным каналом связи является MSR (отличный от Intel), представленный в Zen 3; Устройства Zen 2 используют метод ACPI AML. ^[14]

Влияние на производительность

Динамическое масштабирование частоты уменьшает количество инструкций, которые процессор может выполнить за заданный промежуток времени, тем самым снижая производительность. Следовательно, он обычно используется, когда рабочая нагрузка не связана с процессором.

Динамическое масштабирование частоты само по себе редко бывает полезным в качестве способа экономии мощности переключения. Экономия максимально возможного количества энергии также требует динамического масштабирования напряжения, поскольку напряжение V ² компонент и тот факт, что современные процессоры сильно оптимизированы для состояний простоя с низким энергопотреблением. В большинстве случаев с постоянным напряжением более эффективно кратковременно работать на максимальной скорости и оставаться в состоянии глубокого простоя в течение более длительного времени (так называемая « гонка на холостом ходу » или вычислительный спринт), чем работать на пониженной тактовой частоте для длительное время и лишь кратковременно пребывают в легком состоянии покоя. Однако снижение напряжения вместе с тактовой частотой может изменить эти компромиссы.

Близкий, но противоположный метод — это разгон , при котором производительность процессора увеличивается за счет увеличения (динамической) частоты процессора сверх проектных спецификаций производителя.

Одно из основных различий между ними заключается в том, что в современных компьютерных системах разгон в основном осуществляется через переднюю шину (в основном потому, что множитель обычно заблокирован), но динамическое масштабирование частоты выполняется с помощью множителя . Более того, разгон часто бывает статическим, а динамическое масштабирование частоты всегда динамическое. Программное обеспечение часто может включать разогнанные частоты в алгоритм масштабирования частоты, если допустимы риски деградации чипа.

Поддержка разных поставщиков

Интел

SpeedStep Технология регулирования ЦП Intel используется в линейках процессоров для мобильных и настольных компьютеров.

АМД

AMD использует две разные технологии регулирования процессора. Технология AMD Cool'n'Quiet используется в линейках процессоров для настольных ПК и серверов. Целью Cool'n'Quiet является не экономия заряда батареи, поскольку она не используется в линейке мобильных процессоров AMD, а уменьшение выделения тепла, что, в свою очередь, позволяет системному вентилятору вращаться с меньшей скоростью. что приводит к более прохладной и тихой работе, отсюда и название технологии. AMD PowerNow! В линейке мобильных процессоров используется технология регулирования ЦП, хотя некоторые поддерживающие ЦП, такие как AMD K6-2 +, можно найти и в настольных компьютерах.

AMD PowerTune и AMD ZeroCore Power — это технологии динамического масштабирования частоты для графических процессоров .

ВИА Технологии

В процессорах VIA Technologies используется технология LongHaul (PowerSaver), а версия Transmeta называлась LongRun .

36-процессорный чип AsAP 1 является одним из первых многоядерных процессорных чипов, поддерживающих полностью неограниченную работу тактовой частоты (требуется только, чтобы частоты были ниже максимально допустимого), включая произвольные изменения частоты, запуски и остановки. 167-процессорный чип AsAP 2 — это первый многоядерный процессор, который позволяет отдельным процессорам вносить совершенно неограниченные изменения в свои собственные тактовые частоты.

Согласно спецификациям ACPI , рабочее состояние C0 современного процессора можно разделить на так называемые «P»-состояния (состояния производительности), которые позволяют снижать тактовую частоту, и «T»-состояния (состояния регулирования), которые дополнительно снизить скорость процессора (но не фактическую тактовую частоту), вставив сигналы STPCLK (стоп-такты) и, таким образом, исключив рабочие циклы.

РУКА

Различные системы на базе ARM обеспечивают регулирование процессора и графического процессора.

См. также

Энергосберегающие технологии:

AMD Cool'n'Quiet (процессоры для настольных ПК)
AMD PowerNow! (процессоры для ноутбуков)
AMD PowerTune / AMD PowerPlay (графика)
Intel SpeedStep (ЦП)

Технологии повышения производительности:

AMD Turbo Core (ЦП)
Intel Turbo Boost (ЦП)

Ссылки

^ К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер (сентябрь 2008 г.). «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». Труды АСМ по автоматизации проектирования электронных систем . 13 (4): 1–17. дои : 10.1145/1391962.1391973 . S2CID 18895687 .
^ Рабай, Дж. М. (1996). Цифровые интегральные схемы . Прентис Холл.
^ Виктория Жислина (19 февраля 2014 г.). «Почему частота процессора перестала расти?» . Интел.
^ https://www.usenix.org/legacy/events/hotpower/tech/full_papers/LeSueur.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ Карел Де Фогелеер; Мемми, Джерард; Жувело, Пьер; Коэльо, Фабьен (2014). «Правило выпуклости энергии/частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].
^ Майк Чин. «Видеокарта Asus EN9600GT Silent Edition» . Обзор бесшумного ПК . п. 5 . Проверено 21 апреля 2008 г.
^ Майк Чин (19 марта 2008 г.). «80 Plus расширяет подиум для бронзы, серебра и золота» . Обзор бесшумного ПК . Проверено 21 апреля 2008 г.
^ «Расширенная конфигурация и спецификация интерфейса питания, версия 3.0, раздел 2.6. Определения состояний производительности устройства и процессора» (PDF) . ACPI.info . 2 сентября 2004 г. с. 23. Архивировано из оригинала (PDF) 28 ноября 2015 года . Проверено 19 августа 2015 г.
^ «Совместный контроль производительности процессоров (CPPC) — документация по ядру Linux» . www.kernel.org .
^ «8.4. Объявление процессоров» . Документация ACPI Спецификация 6.4 .
^ «Обзор настройки мощности и производительности Windows Server» . Learn.microsoft.com . 29 августа 2022 г.
^ x86_energy_perf_policy(8) – Linux программиста Руководство – Администрирование и привилегированные команды
^ «Драйвер масштабирования производительности процессора intel_pstate — документация по ядру Linux» . www.kernel.org .
^ «Драйвер масштабирования производительности процессора amd-pstate — документация по ядру Linux» . docs.kernel.org .

[ActivityFactor-1] К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер (сентябрь 2008 г.). «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». Труды АСМ по автоматизации проектирования электронных систем . 13 (4): 1–17. дои : 10.1145/1391962.1391973 . S2CID 18895687 .

[2] Рабай, Дж. М. (1996). Цифровые интегральные схемы . Прентис Холл.

[3] Виктория Жислина (19 февраля 2014 г.). «Почему частота процессора перестала расти?» . Интел.

[4] ttps://www.usenix.org/legacy/events/hotpower/tech/full_papers/LeSueur.pdf ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[5] Карел Де Фогелеер; Мемми, Джерард; Жувело, Пьер; Коэльо, Фабьен (2014). «Правило выпуклости энергии/частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].

[6] Майк Чин. «Видеокарта Asus EN9600GT Silent Edition» . Обзор бесшумного ПК . п. 5 . Проверено 21 апреля 2008 г.

[SPCRNewLevels-7] Майк Чин (19 марта 2008 г.). «80 Plus расширяет подиум для бронзы, серебра и золота» . Обзор бесшумного ПК . Проверено 21 апреля 2008 г.

[8] «Расширенная конфигурация и спецификация интерфейса питания, версия 3.0, раздел 2.6. Определения состояний производительности устройства и процессора» (PDF) . ACPI.info . 2 сентября 2004 г. с. 23. Архивировано из оригинала (PDF) 28 ноября 2015 года . Проверено 19 августа 2015 г.

[9] «Совместный контроль производительности процессоров (CPPC) — документация по ядру Linux» . www.kernel.org .

[10] «8.4. Объявление процессоров» . Документация ACPI Спецификация 6.4 .

[11] «Обзор настройки мощности и производительности Windows Server» . Learn.microsoft.com . 29 августа 2022 г.

[12] x86_energy_perf_policy(8) – Linux программиста Руководство – Администрирование и привилегированные команды

[13] «Драйвер масштабирования производительности процессора intel_pstate — документация по ядру Linux» . www.kernel.org .

[14] «Драйвер масштабирования производительности процессора amd-pstate — документация по ядру Linux» . docs.kernel.org .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]