Средства управления производительностью и энергопотреблением

Евгений Рудометов

Rudometov@rudometov.com

Для повышения эффективности работы компьютерных подсистем используются разнообразные средства управления производительностью и энергопотреблением

Средства управления производительностью и энергопотреблением находят все большее распространение. Встроенные цепи, обеспечивающие уменьшение тактовой частоты при снижении вычислительной нагрузки, позволяет уменьшить напряжение питания, а уменьшение обоих этих параметров способствует значительному снижению теплообразования.

В качестве примера эффективных средств управления производительностью и оптимизации энергопотребления (а, следовательно, и снижения теплообразования) можно привести процессоры Intel. В их составе реализованы следующие средства:

·         Детектор аварийного перегрева (catastrophic shutdown detector);

·         Механизм автоматического термального мониторинга (automatic thermal monitoring mechanism) — Thermal Monitor 1 и Thermal Monitor 2;

·         Модуляция тактовой частоты по запросу (software controlled on-demand clock modulation);

·         Технология Enhanced Intel SpeedStep.

Детектор аварийного перегрева — полностью автоматический  механизм, впервые появившийся в процессорах семейства P6 и реализованный также в процессорах Intel Pentium 4, Xeon и Pentium M. По достижению определенного температурного порога, устанавливаемого при изготовлении процессора, работа приостанавливается до поступления специального сигнала RESET#.

Thermal Monitor 1 (TM1) — механизм, получивший  распространенное наименование «троттлинг» (Throttling или Thermal Throttling, а также Thermal Trip). Реализован в процессорах Intel Pentium 4, Xeon и Pentium M. Представляет собой сочетание второго температурного сенсора (первый служит механизму аварийного отключения), также калибруемого на этапе изготовления процессора, и механизма модуляции тактовой частоты процессора.

Модуляция тактового сигнала, подаваемого на процессор системой термоконтроля, приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Модуляция тактового сигнала, подаваемого на процессор системой термоконтроля

В отличие от детектора аварийного перегрева, механизм TM1 является как определяемым, так и контролируемым с помощью специальных инструкций. Согласно рекомендациям Intel, механизм TM1 должен включаться в BIOS при инициализации процессора и не изменяться впоследствии операционной системой. В случае внештатной ситуации, например, остановке кулера, механизм обеспечивает поддержание температуры процессора на максимально безопасном уровне посредством снижения его производительности.

Thermal Monitor 2 (TM2) — более совершенный механизм защиты процессора от перегрева, реализованный в процессорах Intel Pentium M, а также в улучшенных моделях Intel Pentium 4 и Xeon. Существенным отличием от TM1 является управлением частотой (точнее, FID — множителем частоты системной шины) и питающим напряжением (VID) процессора. За счет снижения питающего напряжения, TM2 позволяет сохранить большую производительность процессора в ситуации перегрева при одинаковом снижении уровня потребляемой им электроэнергии. Ответственность за использование TM2 возлагается на BIOS.

Включение механизма TM2 рекомендовано для старших моделей процессоров, например, для моделей не менее 2.8 ГГц при тактовой частоте шины 166 МГц и не менее 3.6 ГГц при тактовой частоте шины 200 МГц. Для младших моделей рекомендуется использовать TM1. Одновременное включение или выключение TM1 и TM2 является внештатным режимом работы процессора и не рекомендуется производителем. Установка целевых значений FID и VID должна происходить BIOS на этапе инициализации процессора.

Модуляция тактовой частоты по запросу (ODCM) обеспечивает программное уменьшение тепловой нагрузки на процессор во время его простоя. Обеспечивается программное задание минимального уровня цикла полезного действия процессора за счет технологии программной модуляции тактовой частоты процессора (троттлинга).

Технология Enhanced SpeedStep (EIST) обеспечивает энергосбережение, а, следовательно, и низкое теплообразование. Изначально она появилась в процессорах Intel Pentium M. Пришла на смену технологии Intel SpeedStep, использумой в мобильных процессорах Intel Pentium III и Pentium 4. Более совершенная технология обеспечивает более эффективное управления энергопотреблением процессора посредством динамического изменения дискретных состояний производительности процессора (P-state transitions, каждое P-state задается комбинацией значений FID и VID).

Не оставлены разработчиками указанных средств и современные многоядерные процессоры, большинство из которых создаются по архитектуре Intel Core. К ним относятся двухъядерные Intel Core 2 Duo и четырехъядерные модели. К слову сказать, верхние двух- (Рис. 2) и четырехядерные модели поддерживают все ранее рассмотренные технологии управления производительностью и энергопотреблением. К ним относятся: технология управления производительностью процессора по запросу Enhanced Intel SpeedStep (EIST), функции защиты процессора от перегрева Thermal Monitor 1 (TM1) и Thermal Monitor 2 (TM2), технология модуляции тактовой частоты процессора по запросу On-Demand Clock Modulation (ODCM), а также улучшенные режимы простоя Enhanced C States (CxE).

Рис. 2. Процессор Intel Core 2 Extreme X6800

В многоядерных процессорах линеек Intel Core 2, а также в мобильных процессорах Intel Core Solo/Duo, последняя функция была расширена на случай всех возможных состояний бездействия процессора, включая режимы Stop Grant (C2), Deep Sleep (C3) и Deeper Sleep (C4). Для десктопных процессоров Intel Core 2 по умолчанию включен лишь режим Enhanced Halt (C1) State — C1E. Связано это с тем, что более глубокие режимы «сна» процессора, как правило, не используются в десктопных платформах. Так, например, благодаря использованию режима C1E номинальная частота ядра процессора «сбрасывается» до минимального уровня — 1600 МГц (тактовая частота шины 266 МГц, минимальный множитель 6x).

Оценивая перечисленные технологии, необходимо отметить,  что к средствам управления производительностью следует отнести и средства и технологии повышения тактовых частот. Как известно, при повышении тактовых частот увеличивается производительность. Метод повышения тактовых частот получил наименование overclocking (разгон).

Возможность разгона чипов основан на том, что большинство из них имеют  значительный технологический запас, обеспечивающий гарантированный уровень производительности всей выпущенной серии. К таким чипам относятся, например, процессоры, видеочипы, микросхемы памяти и даже жесткие диски. Их частотный технологический запас может быть реализован в процессе индивидуальной настройки.

Оценивая эту возможность, необходимо отметить, что идеи управления производительностью пользуются популярностью у значительного числа потенциальных пользователей. Это обстоятельство не могли не учесть фирмы-производители материнских плат, большинство изделий которых снабжены соответствующими средствами.

Говоря о частотных настройках, необходимо отметить, что важными характеристиками, определяющим разгонный потенциал материнской платы, является плавное изменение напряжения ядра процессора, а также питания модулей DRAM и видеошин типа PCI Express или AGP. При этом считается допустимым и сравнительно безопасным увеличение уровня напряжения ядра процессора на 5–10 % при обеспечении контроля за температурным режимом эксплуатации. Тем не менее, для обеспечения максимальных уровней надежности и безопасной эксплуатаций целесообразно воздерживаться от режимов с повышенными уровнями энергопитания.

Как правило, в настоящее время все операции по разгону и контролю за установленными параметрами осуществляются в соответствующих пунктах меню BIOS Setup или запуском соответствующих программных модулей.

Аппаратную поддержку данных возможностей осуществляют специальные цепи, задающие частные режимы основных подсистем. Одна из схем формирования тактовых частот для основных подсистем компьютера приведена на Рис. 2.

Рис. 3. Вариант схемы формирования тактовых частот для основных подсистем компьютера

Для целей гибкого управления производительностью конструкторы создают разные варианты, позволяющие изменение возможностей изменения коэффициентов, задающих соотношение частот шин процессора, памяти и, возможно, видеоадаптера.

Изменение частотных режимов осуществляется с помощью встроенных в архитектуру материнских плат специальных средств. К их числу относятся чипы PLL (phase-locked loop), реализующие в своем составе управляемых током или напряжением генераторов (VCO — Voltage Controlled Oscillator), осуществляющих постоянное отслеживание фазы входного сигнала. Такие генераторы используются для управления частотой. На материнской плате PLL используется для формирования нескольких частот.

Один из примеров реализации PLL, используемый, например, в материнских платах Gigabyte, приведен на Рис. 3.

Рис. 4. Вариант реализации схемы чипа PLL

Электронные цепи с аппаратно-программным изменением частот, подаваемых на основные подсистемы компьютера, обеспечивает широкие возможности для управляемого разгона.

Подобные решения применяются, например, в моделях материнских плат такого известного производителя как Gigabyte. Изменяемые по частоте тактовые сигналы подаются на компоненту чипсета, выполняющую функции North Bridge, через которую осуществляется управление скоростными параметрами процессора, модулей оперативной памяти, видеоадаптера. При этом для повышения стабильности, в наиболее совершенных моделях предусмотрена возможность плавного изменения уровней питающих напряжений для основных подсистем компьютера.

Говоря о средствах управления нельзя не отметить существование фирменных технологий, обеспечивающих управление производительностью основных подсистем. В качестве примера можно привести ряд технологий компании  Gigabyte.

Технология C.I.A. 2 (CPU Intelligent Accelerator) осуществляет динамическое изменение частоты процессора (точнее, FSB) и напряжения питания в зависимости от текущей загрузки. Возможен выбор одного из режимов разгона: Disable, Cruise, Sports, Racing, Turbo, Full Thrust. Каждый из режимов определяет диапазон прироста тактовой частоты.

Еще одним инструментом повышения производительности компьютера являются фирменные средства улучшения работы подсистемы памяти. В качестве примера может рассматриваться M.I.B. 2 (Memory Intelligent Booster) от Gigabyte, позволяющая оптимизировать работу с оперативной памятью за счет учета характеристик известных чипов/модулей.

Остается добавить, что указанные технологии дополняет набор фирменных утилит от того же производителя материнских плат. В их состав входит, например, программа EasyTune 5. С помощью этой программы можно осуществлять ряд операций, таких как мониторинг системных параметров и разгон. Для пользователей доступно изменение частоты и множителя процессора, множителя для памяти, частоты шины PCI Express и напряжения питания процессора, памяти и южного моста чипсета, но в меньших пределах, нежели доступно из BIOS.

Конечно, во многих моделях имеются и соответствующие средства повышения тактовых частот видеоподсистем.

В заключение следует напомнить, что выбор материнской платы в значительной степени определяет возможности будущего компьютера.

При подготовке статьи были использованы материалы книги
«Материнские платы и чипсеты. 4-е изд. Анатомия ПК». — СПб.: Питер, 2007. — 368с.