artykuły

Throttling procesora: ograniczanie wydajności czy optymalizacja działania?

Jak działają procesory mobilne.

31
23 stycznia 2020, 17:59 Mariusz Kolmer

Throttling w procesorach mobilnych – limity energetyczne

Z TDP wiąże się jeden z podstawowych limitów energetycznych procesora – Power Limit 1 (PL1), którego wartość na ogół równa się wartości TDP.
Jak wspomnieliśmy, TDP jednak wcale nie oznacza maksymalnej wydajności ani ilości energii jaką może generować układ, bowiem w razie potrzeby PL1 może być czasowo przekraczany do kolejnego poziomu – PL2. W tym stanie procesor może pracować przez określony czas z częstotliwością powyżej bazowej, jednak nie przekraczającą maksymalnej wartości Turbo (Turbo Max Limit) dla jednego lub wszystkich obciążonych rdzeni. Czas przekroczenia PL1 nazywa się Tau (PL1 Tau). Po tym okresie obciążony procesor obniża swoje taktowanie (niekoniecznie do wartości bazowej), tak, aby nie przekraczał limitu emitowanego ciepła PL1. Dopiero po ustaniu wykorzystania i pewnym okresie względnej bezczynności układ może ponownie pracować przez czas Tau na poziomie PL2.

Intel Power Limits PL1 PL2 TauSchemat przedstawiający limity energetyczne oraz możliwą wydajności, którą za ich pomocą mogą ustalać producenci komputerów przenośnych. [Źródło: Intel]

W specyfikacji technicznej większości procesorów Intela można znaleźć konkretne wytyczne jakie TDP (i PL1) powinien mieć domyślnie dany procesor, ile powinien wynosi domyślnie PL2 (najczęściej 1,25 x PL1) oraz ile trwa domyślny Tau. Są to jednak jedynie sugestie Intela, który jednocześnie zaznacza, że takie wartości mogą nie zapewniać maksymalnej wydajności. Zatem zarówno producenci płyt głównych w przypadku procesorów desktopowych, jak i (co ważniejsze w omawianym artykule) producenci komputerów mobilnych mają możliwość w pewnym zakresie zmiany tych parametrów.
Trzeba też zaznaczyć, że TDP określane jest dla całego układu (Package Power), czyli nie tylko samych rdzeni CPU, ale również iGPU i innych elementów, jak kontrolery pamięci czy I/O. Tym samym podczas zastosowań intensywnie wykorzystujących zintegrowany układ graficzny, jak na przykład granie, iGPU może często generować więcej ciepła niż samo CPU. Innym ważnym aspektem jest to, że różne zadania i instrukcje wykonywane przez procesor mogą potrzebować różnej ilości energii i w konsekwencji w różnych scenariuszach procesor obciążony w 100% i pracujący z takim samym taktowaniem może generować różną ilość ciepła. Za szacowanie aktualnego zużycia energii odpowiedzialne są wyspecjalizowane podukłady i mechanizmy, które pilnują, żeby określone limity nie były przekraczane.

Throttling w procesorach mobilnych – cTDP

Choć Intel podaje sugerowane wartości TDP (PL1), PL2 i Tau dla swoich układów, producenci laptopów mogą te parametry zmieniać. Dzięki temu jeden model procesora może działać z różnym TDP w zależności od przeznaczenia laptopa, który jest w niego wyposażony. Konfigurowalne TDP (cTDP) umożliwia też dynamiczne dostosowanie działania procesora do pożądanej wydajności systemu. Procesor może zmieniać maksymalną utrzymywaną moc przez zmianę częstotliwości bazowej (maksymalne taktowanie pozostaje bez zmian). cTDP poza bazową wartością może działać w dwóch dodatkowych, predefiniowanych trybach: wyższe (TDP-Up) lub niższe (TDP-Down) w ramach czego limity energetyczne są odpowiednio podwyższane lub obniżane. Dzięki temu laptopy mogą działać z większą wydajnością, o ile producent się na to zdecydował oraz wyposażył je w wydajny układ chłodzenia, lub gdy to pożądane, zwłaszcza w przypadku ultracienkich urządzeń, laptopy kosztem wydajności mogą pracować ciszej i utrzymywać niższą temperaturę procesora.
Poniższy wykres przedstawia wydajność procesorów mobilnych w testowanych przez nas laptopach. Warto zauważyć, że np. Dell Vostro 5370 wyposażony w Core i5-8250U nie tylko wypada zauważalnie lepiej niż laptopy z takim samym CPU, ale też lepiej niż wiele urządzeń z Core i7. To przykład tego, jaki wpływ na wydajność ma TDP (PL1) – w Vostro PL1 został podniesiony z 15 do 23 watów. Podobnie jest w przypadku Della XPS 9370, który ze względu na wyższe TDP wyraźnie przewyższa wydajnością inne urządzenia z takim samym CPU.

Dell Vostro 5370

3