С развитием полупроводниковых технологий и совершенствованием внутренней микроархитектуры вычислительные возможности процессоров в сравнительно короткий срок возросли в десятки тысяч раз. При этом их производительность зависит не только от тактовой частоты, на которой работает процессорное ядро, но и от микроархитектуры
Евгений Рудометов,
Виктор Рудометов
>> Часть 2
Регулирование энергопотребления
В попытках решить проблему снижения энергопотребления своих изделий конструкторы принялись встраивать в процессорные ядра специальные цепи (их функционирование поддержано системным программным обеспечением). Они регулируют работу процессоров и обеспечивают, в зависимости от вычислительной нагрузки и условий эксплуатации, установку оптимальных электрических и частотных режимов. То есть в случае снижения вычислительной нагрузки происходит соответствующее уменьшение тактовой частоты работы ядра.
Кстати, при снижении тактовой частоты процессора ниже штатной величины напряжение питания его ядра может быть соответствующим образом снижено без нарушения устойчивости работы системы, и это позволяет снизить теплообразование процессора. Будучи стандартными для портативных компьютеров, такие операции, выполняемые в автоматическом режиме аппаратно-программным обеспечением, предназначены для экономии энергии батарей. Однако понижение напряжения и частоты уже используется и для моделей серверного сектора, и сектора настольных компьютеров, что позволяет не только уменьшить энергопотребление, но и существенно снизить тепловую нагрузку на полупроводниковые кристаллы ядер процессоров.
Для оценки эффективности подобных технологий для снижения тепловой нагрузки на ядро процессора целесообразно воспользоваться следующей формулой:
где
P — тепловая мощность процессора,
С — коэффициент, учитывающий взаимную емкость элементов ядра процессора и зависящий от архитектуры его ядра (обычно возрастает с увеличением плотности размещения элементов на кристалле микросхемы),
V — напряжение питания ядра,
F — тактовая частота.
Данное выражение легко приводится к следующему виду:
В этом уравнении, связывающем основные характеристики теплообразования, переменные с индексом k обозначают соответствующие параметры изменяемых режимов, а переменные с нулевым индексом — параметры штатного режима.
Приведенная формула показывает, что уменьшение тактовой частоты и, как следствие, возможность уменьшения напряжения питания обеспечивают значительное снижение мощности теплообразования. Так, например, 20%-ное уменьшение тактовой частоты и напряжения уменьшает теплообразование в два раза. Снижение же производительности можно компенсировать использованием нескольких ядер. В результате, как показывают расчеты и практическая реализация, замена верхних моделей на процессоры с несколькими ядрами способна обеспечить существенный прирост производительности при приемлемом теплообразовании. (Первые такие процессоры, ориентированные на сектор настольных компьютеров и созданные на основе микроархитектуры NetBurst, вывела на рынок Intel.)
Дальнейшего снижения энергопотребления можно достичь простым переходом на хорошо себя зарекомендовавшую микроархитектуру процессоров Intel Pentium M или более совершенную Intel Core Duo с соответствующим увеличением тактовых частот до уровня производительности Intel Pentium 4. Но конструкторы корпорации Intel пошли другим путем.
Подробности предложенного решения, реализованного инженерами Intel, рассмотрены в следующей части данной статьи.
>> Часть 4