Dynamiczne skalowanie częstotliwości
Dynamiczne skalowanie częstotliwości (znane również jako dławienie procesora ) to technika zarządzania energią w architekturze komputerów , dzięki której częstotliwość mikroprocesora może być automatycznie dostosowywana „w locie” w zależności od rzeczywistych potrzeb, w celu oszczędzania energii i zmniejszenia ilości ciepła generowanego przez chip. Dynamiczne skalowanie częstotliwości pomaga oszczędzać baterię w urządzeniach mobilnych oraz zmniejszać koszty chłodzenia i hałas przy cichych ustawieniach komputerowych lub może być przydatne jako środek bezpieczeństwa w przypadku przegrzewanych systemów (np. po słabym przetaktowaniu ).
Dynamiczne skalowanie częstotliwości prawie zawsze pojawia się w połączeniu z dynamicznym skalowaniem napięcia , ponieważ wyższe częstotliwości wymagają wyższych napięć zasilania, aby obwód cyfrowy dawał prawidłowe wyniki. Połączony temat jest znany jako dynamiczne skalowanie napięcia i częstotliwości ( DVFS ).
Ograniczanie procesora jest również znane jako „automatyczne podkręcanie ”. Automatyczne przetaktowywanie (podkręcanie) jest również technicznie formą dynamicznego skalowania częstotliwości, ale jest stosunkowo nowe i zwykle nie jest omawiane z dławieniem.
Operacja
Moc dynamiczna ( moc przełączania ) rozpraszana przez układ wynosi C·V 2 ·A·f , gdzie C to przełączana pojemność na cykl zegara, V to napięcie , A to współczynnik aktywności wskazujący średnią liczbę zdarzeń przełączania na zegar cykl przez tranzystory w chipie (jako wielkość bez jednostek), a f to częstotliwość zegara.
Napięcie jest zatem głównym wyznacznikiem zużycia energii i ogrzewania. Napięcie wymagane do stabilnej pracy zależy od częstotliwości taktowania obwodu i może zostać zmniejszone, jeśli częstotliwość również zostanie zmniejszona. Sama moc dynamiczna nie uwzględnia jednak całkowitej mocy chipa, ponieważ istnieje również moc statyczna, która wynika przede wszystkim z różnych prądów upływowych. Ze względu na statyczny pobór mocy i asymptotyczny czas wykonania wykazano, że energochłonność oprogramowania wykazuje wypukłe zachowanie energetyczne, tzn. istnieje optymalna częstotliwość procesora, przy której zużycie energii jest zminimalizowane. Prąd upływowy staje się coraz ważniejszy, ponieważ rozmiary tranzystorów stały się mniejsze, a progowe poziomy napięcia obniżone. Dziesięć lat temu moc dynamiczna stanowiła około dwóch trzecich całkowitej mocy chipów. Straty mocy spowodowane prądami upływowymi we współczesnych procesorach i układach SoC mają tendencję do dominowania w całkowitym zużyciu energii. W próbach kontrolowania mocy upływowej powszechnymi metodami były metalowe bramki o wysokiej k i bramkowanie mocy.
Dynamiczne skalowanie napięcia to kolejna powiązana technika oszczędzania energii, która jest często używana w połączeniu ze skalowaniem częstotliwości, ponieważ częstotliwość, z jaką może pracować chip, jest związana z napięciem roboczym.
Sprawność niektórych elementów elektrycznych, takich jak regulatory napięcia, spada wraz ze wzrostem temperatury, więc zużycie energii może wzrosnąć wraz z temperaturą. Ponieważ zwiększenie zużycia energii może spowodować wzrost temperatury, wzrost napięcia lub częstotliwości może zwiększyć zapotrzebowanie systemu na moc nawet bardziej niż wynika to ze wzoru CMOS i odwrotnie.
Wpływ na wydajność
Dynamiczne skalowanie częstotliwości zmniejsza liczbę instrukcji, które procesor może wydać w określonym czasie, zmniejszając w ten sposób wydajność. W związku z tym jest zwykle używany, gdy obciążenie nie jest związane z procesorem.
Samo dynamiczne skalowanie częstotliwości rzadko jest opłacalne jako sposób na oszczędzanie mocy przełączania. Oszczędzanie jak największej ilości energii wymaga również dynamicznego skalowania napięcia, ze względu na V2 oraz fakt, że nowoczesne procesory są silnie zoptymalizowane pod kątem stanów bezczynności o niskim poborze mocy. W większości przypadków ze stałym napięciem bardziej wydajna jest krótka praca z maksymalną prędkością i pozostawanie w głębokim stanie bezczynności przez dłuższy czas (zwany „wyścigiem do biegu jałowego” lub sprintem obliczeniowym), niż bieganie ze zmniejszoną częstotliwością taktowania przez przez długi czas i pozostawać tylko przez krótki czas w lekkim stanie bezczynności. Jednak zmniejszenie napięcia wraz z częstotliwością zegara może zmienić te kompromisy.
Pokrewną, ale przeciwną techniką jest przetaktowywanie , w którym wydajność procesora jest zwiększana poprzez zwiększanie (dynamicznej) częstotliwości procesora poza specyfikacje projektowe producenta.
Jedną z głównych różnic między nimi jest to, że w nowoczesnych systemach komputerowych przetaktowywanie odbywa się głównie za pośrednictwem magistrali FSB (głównie dlatego, że mnożnik jest normalnie zablokowany), ale dynamiczne skalowanie częstotliwości odbywa się za pomocą mnożnika . Co więcej, przetaktowywanie jest często statyczne, podczas gdy dynamiczne skalowanie częstotliwości jest zawsze dynamiczne. Oprogramowanie często może uwzględniać przetaktowane częstotliwości w algorytmie skalowania częstotliwości, jeśli ryzyko degradacji chipa jest dopuszczalne.
Wsparcie różnych dostawców
Intel
Technologia ograniczania przepustowości procesora firmy Intel , SpeedStep , jest używana w liniach procesorów mobilnych i stacjonarnych.
AMD
AMD stosuje dwie różne technologie ograniczania przepustowości procesora. Technologia Cool'n'Quiet firmy AMD jest stosowana w liniach procesorów do komputerów stacjonarnych i serwerów. Celem Cool'n'Quiet nie jest oszczędzanie baterii, ponieważ nie jest ona używana w linii procesorów mobilnych AMD, ale zamiast tego ma na celu wytwarzanie mniejszej ilości ciepła, co z kolei pozwala wentylatorowi systemowemu na wolniejsze obracanie się, co skutkuje chłodniejszą i cichszą pracą, stąd nazwa technologii. AMD PowerNow! Technologia ograniczania przepustowości procesora jest stosowana w linii procesorów mobilnych, chociaż niektóre obsługujące procesory, takie jak AMD K6-2 +, można również znaleźć w komputerach stacjonarnych.
AMD PowerTune i AMD ZeroCore Power to technologie dynamicznego skalowania częstotliwości dla procesorów graficznych .
VIA Technologies
VIA Technologies wykorzystują technologię o nazwie LongHaul (PowerSaver), podczas gdy wersja Transmeta nosiła nazwę LongRun .
36-procesorowy układ AsAP 1 jest jednym z pierwszych układów procesorów wielordzeniowych obsługujących całkowicie nieograniczone działanie zegara (wymagające jedynie, aby częstotliwości były poniżej maksymalnego dozwolonego), w tym dowolne zmiany częstotliwości, startów i zatrzymań. 167-procesorowy AsAP 2 jest pierwszym wielordzeniowym układem procesora, który umożliwia poszczególnym procesorom dokonywanie w pełni nieograniczonych zmian ich własnych częstotliwości zegara.
Zgodnie ze specyfikacją ACPI , stan roboczy C0 współczesnego procesora można podzielić na tak zwane stany „P” (stany wydajności), które umożliwiają zmniejszenie szybkości zegara, oraz stany „T” (stany dławienia), które będą dalsze ograniczanie procesora (ale nie rzeczywistą częstotliwość taktowania) poprzez wstawianie sygnałów STPCLK (zegara stopu), a tym samym pominięcie cykli pracy.
RAMIĘ
Różne systemy oparte na architekturze ARM na chipie zapewniają dławienie procesora i karty graficznej.
Zobacz też
Technologie oszczędzania energii:
- AMD Cool'n'Quiet (procesory do komputerów stacjonarnych)
- AMD PowerNow! (procesory do laptopów)
- AMD PowerTune / AMD PowerPlay (grafika)
- Intel SpeedStep (procesory)
Technologie zwiększające wydajność:
- AMD Turbo Core (procesory)
- Intel Turbo Boost (procesory)