Динамическое масштабирование частоты - Википедия - Dynamic frequency scaling

Для принципа конструкции ЦП см. Масштабирование частоты.
Сюда перенаправляется "троттлинг ЦП". Для использования в других целях см. Дроссель (значения) § Вычисления.

Динамическое масштабирование частоты (также известный как Троттлинг процессора) это управление энергопотреблением техника в компьютерная архитектура посредством чего частота микропроцессора можно автоматически настраивать "на лету" в зависимости от реальных потребностей, чтобы экономить энергию и уменьшить количество тепла, выделяемого микросхемой. Динамическое масштабирование частоты помогает экономить заряд батареи на мобильных устройствах[1] и снизить стоимость охлаждения и снизить уровень шума на настройки тихих вычислений, или может быть полезен в качестве меры безопасности для перегретых систем (например, после плохого разгон ). Динамическое масштабирование частоты используется во всех диапазонах вычислительных систем, от мобильных систем до центров обработки данных.[2] для снижения мощности в периоды низкой нагрузки.

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

Регулирование процессора также известно как "автоматическое разгон ". Автоматический разгон (Повышение) также технически является формой динамического масштабирования частоты, но это относительно недавно и обычно не обсуждается с регулированием.

Функционирование

Смотрите также: Рассеиваемая мощность процессора § Источники

Динамическая мощность (мощность переключения ), рассеиваемая микросхемой за единицу времени, составляет РЕЗЮМЕ2· A · f, где C - емкость переключается за такт, V равно Напряжение, A - коэффициент активности[3] указывает среднее количество событий переключения, которым подвергаются транзисторы в микросхеме (в виде безразмерной величины), 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 будет уменьшена.[6] Однако сама по себе динамическая мощность не учитывает общую мощность кристалла, поскольку существует также статическая мощность, которая в основном возникает из-за различных токов утечки. Из-за статического энергопотребления и асимптотического времени выполнения было показано, что энергопотребление части программного обеспечения демонстрирует выпуклое энергопотребление, то есть существует оптимальная частота процессора, при которой потребление энергии минимально.[7]Ток утечки становится 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, высокие металлические ворота и силовое стробирование были обычными методами.

Динамическое масштабирование напряжения - это еще один связанный метод энергосбережения, который часто используется в сочетании с частотным масштабированием, 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 CMOS, и наоборот.[8][9]

Влияние на производительность

Динамическое масштабирование частоты уменьшает количество инструкций, которые процессор может выполнить 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 целесообразным как способ экономии коммутируемой мощности. Сохранение максимально возможного количества энергии требует также динамического масштабирования напряжения из-за V2 компонент и тот факт, что современные процессоры сильно оптимизированы для состояний простоя с низким энергопотреблением. В большинстве случаев с постоянным напряжением более эффективно кратковременно работать на пиковой скорости и оставаться в состоянии глубокого холостого хода в течение более длительного времени (так называемый "гонка на холостом ходу "или вычислительный спринт), чем он должен работать с пониженной тактовой частотой в течение долгого времени и лишь ненадолго оставаться в состоянии легкого простоя. Однако снижение напряжения вместе с тактовой частотой может изменить эти компромиссы.

Связанная, но противоположная техника разгон, при этом 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 компьютерных системах разгон в основном осуществляется через Фронтальный автобус (в основном потому, что множитель обычно заблокирован), но динамическое масштабирование частоты выполняется с помощью множитель. 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 чипа допустимы.

Реализации

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

AMD использует две разные технологии регулирования ЦП. AMD Cool'n'Quiet технология используется в его настольных и серверных процессорах. 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 троттлинга ЦП, хотя некоторые поддерживающие ЦП, например AMD K6-2 + можно найти и в десктопах.

VIA Technologies процессоры используют технологию под названием Долгий путь (PowerSaver), а Transmeta версия называлась LongRun.

36-процессорный AsAP 1 Микросхема является одной из первых микросхем многоядерного процессора, которая поддерживает полностью неограниченную работу тактовой частоты (требуется только, чтобы частоты были ниже максимально разрешенных), включая произвольные изменения частоты, запусков и остановов. 167-процессор AsAP 2 Chip - это первая микросхема многоядерного процессора, которая позволяет отдельным процессорам полностью неограниченно изменять свои собственные тактовые частоты.

Согласно ACPI Согласно спецификациям, 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 ЦП (но не фактическая тактовая частота) путем вставки сигналов STPCLK (тактовая частота остановки) и, таким образом, исключения рабочих циклов.

AMD PowerTune и AMD ZeroCore Power это технологии динамического масштабирования частоты для GPU.

Смотрите также

Технологии энергосбережения:

Технологии повышения производительности:

Рекомендации

  1. ^ "Обзор методов повышения энергоэффективности встраиваемых вычислительных систем ", НЖКАЭТ, 2014 г.
  2. ^ "Методы управления питанием для центров обработки данных: обзор ", Технический отчет ORNL, 2014 г.
  3. ^ К. Моисеев, А. Колодный, С. Вимер. «Оптимальное по мощности упорядочение сигналов с учетом времени». ACM «Сделки по автоматизации проектирования электронных систем», том 13, выпуск 4, сентябрь 2008 г..
  4. ^ Рабай, Дж. М. (1996). Цифровые интегральные схемы. Прентис Холл.
  5. ^ Виктория Жислина (19 февраля 2014 г.). "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 | журнал = (помощь)
  8. ^ Майк Чин. "Видеокарта Asus EN9600GT Silent Edition". Бесшумный обзор ПК. п. 5. Получено 21 апреля 2008.
  9. ^ Майке Чин. «80 Plus расширяет подиум для бронзы, серебра и золота». Бесшумный обзор ПК. Получено 21 апреля 2008.