Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для принципа конструкции ЦП см. Масштабирование частоты .
"Регулирование ЦП" перенаправляется сюда. Для использования в других целях, см. Дроссель (значения) § Вычисления .

Динамическое масштабирование частоты (также известное как регулирование ЦП ) - это метод управления питанием в компьютерной архитектуре, при котором частоту микропроцессора можно автоматически регулировать «на лету» в зависимости от фактических потребностей для экономии энергии и уменьшения количества тепла, выделяемого чип. Динамическое масштабирование частоты помогает сэкономить заряд батареи на мобильных устройствах [1] и снизить затраты на охлаждение и шум при тихих настройках компьютера или может быть полезно в качестве меры безопасности для перегретых систем (например, после плохого разгона). Динамическое масштабирование частоты используется во всех диапазонах вычислительных систем, от мобильных систем до центров обработки данных [2], чтобы снизить энергопотребление в периоды низкой рабочей нагрузки.

Динамическое масштабирование частоты почти всегда появляется в сочетании с динамическим масштабированием напряжения , поскольку более низкие частоты требуют более низких напряжений для цифровой схемы для получения правильных результатов. Объединенная тема известна как динамическое масштабирование напряжения и частоты ( DVFS ).

Регулировка частоты процессора также известна как «автоматическое снижение частоты ». Автоматический разгон (повышение) также технически является формой динамического масштабирования частоты, но он относительно новый и обычно не обсуждается с дросселированием.

Функционирование [ править ]

См. Также: Рассеиваемая мощность процессора § Источники

Динамическая мощность (мощность переключения ), рассеиваемая микросхемой за единицу времени, равна C · V 2 · A · f , где C - емкость , переключаемая за такт, V - напряжение , A - коэффициент активности [3], указывающий на среднее количество переключений, которым подвергаются транзисторы в микросхеме (без единиц измерения), а f - частота переключения. [4]

Таким образом, напряжение является основным фактором, определяющим потребление энергии и нагрев. [5] Напряжение, необходимое для стабильной работы, определяется частотой, с которой работает схема, и может быть уменьшено, если частота также уменьшится. [6] Сама по себе динамическая мощность не учитывает общую мощность кристалла, однако существует также статическая мощность, которая в основном возникает из-за различных токов утечки. Из-за статического энергопотребления и асимптотического времени выполнения было показано, что потребление энергии частью программного обеспечения демонстрирует выпуклое энергопотребление, т. Е. Существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально. [7] Ток утечкистановится все более и более важным, поскольку размеры транзисторов становятся меньше, а уровни порогового напряжения ниже. Десять лет назад динамическая мощность составляла примерно две трети общей мощности чипа. Потери мощности из-за токов утечки в современных ЦП и SoC имеют тенденцию доминировать в общем энергопотреблении. В попытке контролировать мощность утечки широко применялись металлические вентили с высоким k и силовые вентили .

Динамическое масштабирование напряжения - это еще один связанный 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 повышением температуры, поэтому потребление энергии может увеличиваться с увеличением температуры. Поскольку увеличение потребляемой мощности может привести к увеличению температуры, увеличение напряжения или частоты может увеличить требования к мощности системы даже дальше, чем указывает формула КМОП, и наоборот. [8] [9]

Влияние на производительность [ править ]

Динамическое масштабирование частоты уменьшает количество инструкций, которые процессор может выдать за заданный промежуток времени, что снижает производительность. Следовательно, он обычно используется, когда рабочая нагрузка не связана с ЦП.

Само по себе динамическое масштабирование частоты редко бывает полезным для экономии коммутируемой мощности. Сохранение максимально возможного количества энергии требует также динамического масштабирования напряжения из-за компонента V 2 и того факта, что современные процессоры сильно оптимизированы для состояний с низким энергопотреблением в режиме ожидания. В большинстве случаев с постоянным напряжением более эффективно работать на короткое время с максимальной скоростью и оставаться в состоянии глубокого холостого хода в течение более длительного времени (так называемая « гонка на холостом ходу » или вычислительный спринт), чем работать с пониженной тактовой частотой в течение долгое время и только ненадолго в легком состоянии простоя. Однако снижение напряжения вместе с тактовой частотой может изменить эти компромиссы.

Связанный, но противоположный метод - это разгон , при котором производительность процессора увеличивается за счет увеличения (динамической) частоты процессора за пределы проектных спецификаций производителя.

Одно из основных различий между ними заключается в том, что в современных системах ПК разгон в основном выполняется через шину Front Side Bus (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 динамично. Программное обеспечение часто может включать разогнанные частоты в алгоритм масштабирования частоты, если риски деградации микросхемы допустимы.

Реализации [ править ]

Технология троттлинга процессора Intel SpeedStep используется в линейках процессоров для мобильных и настольных ПК.

AMD использует две разные технологии регулирования ЦП. Технология AMD Cool'n'Quiet используется в линейках процессоров для настольных ПК и серверов. Целью Cool'n'Quiet является не экономия времени автономной работы, поскольку она не используется в линейке мобильных процессоров AMD, а вместо этого с целью уменьшения нагрева, что, в свою очередь, позволяет системному вентилятору замедляться до более медленных скоростей. что приводит к более прохладной и тихой работе, отсюда и название технологии. AMD PowerNow! В линейке мобильных процессоров используется технология дросселирования ЦП, хотя некоторые поддерживающие ЦП, такие как AMD K6-2 +, также можно найти в настольных компьютерах.

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

Чип AsAP 1 с 36 процессорами является одним из первых многоядерных процессоров, поддерживающих полностью неограниченную работу тактовой частоты (требующей только того, чтобы частоты были ниже максимально разрешенных), включая произвольные изменения частоты, запусков и остановов. Микросхема AsAP 2 с 167 процессорами - первая многоядерная микросхема процессора, которая позволяет отдельным процессорам полностью неограниченно изменять 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 будут дополнительно снижать скорость ЦП (но не фактическую тактовую частоту), вставляя сигналы STPCLK (тактовая частота остановки) и, таким образом, опуская рабочие циклы.

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

См. Также [ править ]

  • Динамическое масштабирование напряжения
  • Часы стробирования
  • HLT (инструкция x86)

Технологии энергосбережения:

  • AMD Cool'n'Quiet (настольные процессоры)
  • AMD PowerNow! (процессоры ноутбуков)
  • AMD PowerTune / AMD PowerPlay (графика)
  • Intel SpeedStep (процессоры)

Технологии повышения производительности:

  • AMD Turbo Core (процессоры)
  • Intel Turbo Boost (процессоры)

Ссылки [ править ]

  1. ^ " Обзор методов повышения энергоэффективности встраиваемых вычислительных систем ", IJCAET, 2014
  2. ^ « Методы управления питанием для центров обработки данных: обзор », Технический отчет ORNL, 2014 г.
  3. ^ К. Моисеев, А. Колодный и С. Вимер. «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». ACM Сделки по автоматизации проектирования электронных систем, Том 13 , Выпуск 4, сентябрь 2008 года .
  4. ^ Rabaey, JM (1996). Цифровые интегральные схемы . Прентис Холл.
  5. ^ Виктория Жислина (19 февраля 2014). "Почему перестала расти частота процессора?" . Intel.
  6. ^ https://www.usenix.org/legacy/events/hotpower/tech/full_papers/LeSueur.pdf
  7. ^ К. Де Фогелеер; и другие. (2014). «Правило выпуклости энергии / частоты: моделирование и экспериментальная проверка на мобильных устройствах». arXiv : 1401.4655 . Bibcode : 2014arXiv1401.4655D . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  8. ↑ Майк Чин. "Видеокарта Asus EN9600GT Silent Edition" . Бесшумный обзор ПК . п. 5 . Проверено 21 апреля 2008 года .
  9. ^ MIke Chin. «80 Plus расширяет подиум для бронзы, серебра и золота» . Бесшумный обзор ПК . Проверено 21 апреля 2008 года .