Динамическое изменение частоты (CPU throttling) кратко

Привет, Вы узнаете о том , что такое cpu throttling, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое cpu throttling , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров.

Динамическое масштабирование(изменение) частоты (также известное как throttling, дросселирование ЦП ) — это метод управления питанием в архитектуре компьютера , при котором частота микропроцессора может автоматически регулироваться «на лету» в зависимости от фактических потребностей, чтобы экономить энергию и уменьшать количество тепла, выделяемого чипом. Динамическое масштабирование частоты помогает сохранить заряд батареи на мобильных устройствах и снизить затраты на охлаждение и шум при тихих вычислительных настройках , или может быть полезно в качестве меры безопасности для перегретых систем (например, после плохого разгона ).

Динамическое масштабирование частоты почти всегда появляется в сочетании с динамическим масштабированием напряжения , поскольку более высокие частоты требуют более высоких напряжений питания для цифровой схемы, чтобы выдавать правильные результаты. Объединенная тема известна как динамическое масштабирование напряжения и частоты ( DVFS ).

Динамическая мощность ( мощность переключения ), рассеиваемая чипом, равна C·V ² ·A·f , где C — емкость , переключаемая за такт, V — напряжение , A — коэффициент активности ^, указывающий среднее количество событий переключения за такт транзисторами чипа (как безразмерная величина), а f — тактовая частота.

Таким образом, напряжение является основным фактором, определяющим потребление энергии и нагрев. Напряжение, необходимое для стабильной работы, определяется частотой, на которой тактируется схема, и может быть уменьшено, если также уменьшить частоту. Однако динамическая мощность сама по себе не учитывает общую мощность чипа, поскольку существует также статическая мощность, которая в первую очередь обусловлена ​​различными токами утечки. Из-за статического потребления энергии и асимптотического времени выполнения было показано, что потребление энергии программным обеспечением демонстрирует выпуклое поведение энергии, т. е. существует оптимальная частота ЦП, при которой потребление энергии минимизируется. Ток утечки становится все более и более важным, поскольку размеры транзисторов становятся меньше, а уровни порогового напряжения снижаются. Десять лет назад динамическая мощность составляла примерно две трети общей мощности чипа. Потери мощности из-за токов утечки в современных ЦП и SoC, как правило, доминируют в общей потребляемой мощности. В попытке контролировать мощность утечки распространенными методами были металлические затворы с высоким содержанием диэлектрика и силовое стробирование.

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

Эффективность некоторых электрических компонентов, таких как регуляторы напряжения, снижается с ростом температуры, поэтому потребление энергии может увеличиваться с температурой. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Поскольку увеличение потребления энергии может увеличивать температуру, увеличение напряжения или частоты может увеличить требования к мощности системы даже больше, чем указывает формула CMOS, и наоборот.

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

ACPI 2.0 (2000) вводит систему P-состояний (состояний мощности-производительности), которые процессор может использовать для передачи своих возможных настроек частоты-мощности в ОС. Затем операционная система устанавливает скорость по мере необходимости, переключаясь между этими состояниями. Технологии регулирования, такие как SpeedStep, PowerNow!/Cool'n'Quiet и PowerSaver, работают через P-состояния. Существует ограничение в 16 состояний максимум.

ACPI 5.0 (2011) представляет совместное управление производительностью процессора (CPPC), предоставляя ОС сотни уровней производительности для выбора в форме «уровня производительности», абстрагированного от частоты. Эта абстракция предоставляет процессору некоторую свободу действий для настройки своей работы способами, отличными от частоты.

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

• Процессоры Intel, начиная с Skylake, поддерживают аппаратно управляемые P-состояния , также известные как Speed ​​Shift . Они основаны на протоколе CPPC и используют регистр, специфичный для модели, в качестве канала управления.
• Процессоры AMD, начиная с Zen 2, поддерживают похожую функцию. Это зависит от включенного CPPC. Предпочтительным каналом связи является MSR (отличный от Intel), представленный в Zen 3; блоки Zen 2 используют метод ACPI AML.

Динамическое изменение частоты уменьшает количество инструкций, которые процессор может выдать за заданный промежуток времени, тем самым снижая производительность. Поэтому оно обычно используется, когда рабочая нагрузка не ограничена процессором.

Динамическое изменение частоты само по себе редко бывает полезным в качестве способа экономии мощности переключения. Экономия максимально возможного количества энергии требует также динамического изменения напряжения из-за компонента V ² и того факта, что современные ЦП сильно оптимизированы для состояний простоя с низким энергопотреблением. В большинстве случаев постоянного напряжения более эффективно работать на короткое время на пиковой скорости и оставаться в состоянии глубокого простоя в течение более длительного времени (так называемая « гонка к простою » или вычислительный спринт), чем работать на пониженной тактовой частоте в течение длительного времени и оставаться в состоянии легкого простоя лишь ненадолго. Однако снижение напряжения вместе с тактовой частотой может изменить эти компромиссы.

Схожая, но противоположная технология — разгон , при котором производительность процессора увеличивается за счет увеличения его (динамической) частоты за пределы спецификаций производителя.

Одно из основных различий между ними заключается в том, что в современных ПК-системах разгон в основном выполняется через Front Side Bus (главным образом потому, что множитель обычно заблокирован), а динамическое масштабирование частоты выполняется с помощью множителя . Более того, разгон часто является статическим, в то время как динамическое масштабирование частоты всегда является динамическим. Программное обеспечение часто может включать разогнанные частоты в алгоритм масштабирования частоты, если риски деградации чипа допустимы.

Технология регулирования производительности ЦП SpeedStep от Intel используется в линейках процессоров для мобильных и настольных ПК.

AMD использует две различные технологии регулирования процессора. Технология Cool'n'Quiet от AMD 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, напротив, выделение меньшего количества тепла, что, в свою очередь, позволяет системному вентилятору вращаться на более низких скоростях, что приводит к более холодной и тихой работе, отсюда и название технологии. Технология регулирования процессора PowerNow! от AMD используется в линейке мобильных процессоров, хотя некоторые поддерживающие процессоры, 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 .

Процессоры VIA Technologies используют технологию LongHaul (PowerSaver), тогда как 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 допустимой), включая произвольные изменения частоты, запуски и остановки. 167-процессорный чип AsAP 2 является первым многоядерным процессорным чипом, который позволяет отдельным процессорам вносить полностью неограниченные изменения в свои собственные тактовые частоты.

Согласно спецификациям ACPI , рабочее состояние C0 современного ЦП можно разделить на так называемые «P»-состояния (состояния производительности), которые позволяют снизить тактовую частоту, и «T»-состояния (состояния дросселирования), которые еще больше снижают производительность ЦП (но не фактическую тактовую частоту) путем вставки сигналов STPCLK (остановка тактовой частоты) и, таким образом, исключения рабочих циклов.

Различные системы на базе ARM обеспечивают регулирование производительности центрального и графического процессоров.

• Динамическое изменение напряжения
• Стробирование часов
• HLT (инструкция x86)

Технологии энергосбережения:

• 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 ( процессоры )
• Intel Turbo Boost (ЦП)

Рассеиваемая мощность процессора

Исследование, описанное в статье про cpu throttling, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое cpu throttling и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров

Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про cpu throttling