artykuły

Throttling procesora: ograniczanie wydajności czy optymalizacja działania?

Jak działają procesory mobilne.

31
23 stycznia 2020, 17:59 Mariusz Kolmer

Throttling w procesorach mobilnych – rodzaje throttlingu

Teraz, gdy już znamy podstawowe limity wpływające na działanie procesora, możemy przyjrzeć się zjawisku jakim jest throttling. Pod tym pojęciem kryje się (w uproszczeniu) regulowanie wydajności procesora, głównie za sprawą zwiększania lub zmniejszania częstotliwości z jaką pracuje. W powszechnym znaczeniu throttling oznacza jednak głównie obniżanie wydajności procesora ze względu na przekroczenie jednego z wymienionych wcześniej limitów i w takim rozumieniu, dla uproszczenia, będziemy się tym pojęciem posługiwać. Oto dwa najczęściej spotykane rodzaje throttlingu:

  • throttling temperaturowy – ma miejsce wtedy, gdy temperatura działającego procesora osiągnęła ustaloną TJMax. W celu zapobiegnięcia uszkodzeniu komputera, równocześnie z (na ogół stopniowym) spadkiem taktowania następuje obniżanie napięcia z jakim pracuje układ, co powinno przełożyć się na zmniejszenie ilości generowanego ciepła. Jeżeli jednak z jakiś powodów nawet ilość ciepła określona przez TDP nie może być sprawnie odprowadzona, częstotliwość może być obniżona nawet poniżej taktowania bazowego.
  • throttling energetyczny – występuje wtedy, gdy procesor jest obciążony dłużej, niż czas z jakim może przekraczać PL1 (Tau). Następuje wtedy zdecydowane obniżenie taktowania i napięcia, w przypadku ultramobilnych urządzeń często do wartości bazowych. Sporadycznie, jeżeli nawet przy obniżonym taktowaniu TDP jest ciągle przekraczane (np. ze względu na wyjątkowo obciążające zadania lub power-wirusy), częstotliwość działania CPU może być obniżona poniżej taktowania bazowego.

Throttling temperaturowy – przyczyny i przykłady

Pierwszy przypadek, czyli throttling temperaturowy może występować w kilku sytuacjach. Często, zwłaszcza w bardzo cienkich i lekkich laptopach może występować już w pierwszych minutach, a nawet sekundach obciążenia, gdy procesor pracuje z podniesionym limitem energetycznym, a źle dobrany przez producenta układ chłodzenia nie radzi sobie ze sprawnym odprowadzaniem dużej i „ponadprogramowej” ilości ciepła. Wtedy temperatura błyskawicznie osiąga TJMax, co z kolei prowadzi do obniżania taktowania poniżej wartości turbo, mimo, że czas Tau nie został przekroczony. W skrajnych przypadkach, kiedy układ chłodzenia jest wyjątkowo źle dobrany, nawet po powrocie do podstawowego limitu energetycznego (PL1) i obniżeniu taktowania do wartości domyślnej, procesor może osiągać TJMax, a to prowadzi do spadków częstotliwości nawet poniżej wartości bazowej.

LG Gram 17 17Z990 układ chłodzeniaWyjątkowo mały układ chłodzenia złożony z jednego ciepłowodu, niewielkiego wentylatora i ekstremalnie małego radiatorka w LG Gramie 17 zupełnie nie radził sobie z odprowadzaniem ciepła generowanego przez procesor z serii i7, nie tyko podczas krótkotrwałego turbo, ale nawet gdy częstotliwość CPU spadała do (a nawet poniżej), wartości bazowej.

Przykładem obu tych sytuacji jest działanie testowanego przez nas LG Grama 17 wyposażonego w Core i7-8565U. Procesor w tym urządzeniu już w pierwszych sekundach obciążenia osiągał ponad 90 stopni Celsjusza. Niewiele zmieniło ograniczenie taktowania CPU i iGPU wynikające z przekroczenia limitu energetycznego – procesor wciąż się mocno nagrzewał, a taktowanie spadało poniżej wartości bazowej. Przez to w większości testów LG Gram 17 notował gorsze wyniki nawet niż Core i5 starszej generacji!

LG Gram 17 stress test

LG Gram 17 17Z990 Cinebench R15

Inną, rzadziej spotykaną w laptopach sytuacją, w której występuje throttling temperaturowym jest zbyt wysokie napięcie zasilające procesor, a jak już wiemy, ma ono duży wpływ na temperaturę. Niestety zdarza się, że producenci komputerów przenośnych wypuszczają na rynek niedopracowane, źle skonfigurowane urządzenia lub nie dostroją parametrów działania procesora.

Dell G5 15 5590Układ chłodzenia w Dellu G5. Choć wydajny, nie radził sobie z odprowadzeniem ciepła od procesora pracującego na napięciu 1,45V.

Takim przypadkiem jest omawiany przez nas gamingowy Dell G5 15 5590 z Core i7-9750H, którego napięcie zasilania podczas obciążenia sięgało aż 1,45V! Dla porównania taki sam procesor w innym laptopie, Hyperbooku SL504 (AMOLED), pracował przy napięciu 1,09V. Nie dziwi więc fakt, że mimo rozbudowanego układu chłodzenia, natychmiast po włączeniu choć trochę obciążającej aplikacji lub uruchomieniu gry temperatura procesora w Dellu osiągała 100 stopni Celsjusza i następowało stopniowe obniżanie częstotliwości. To oczywiście redukowało nieco temperaturę, więc procesor ponownie podnosił taktowanie, a to znów skutkowało przegrzewaniem. Doskonale widać ten cykl na poniższym wykresie.

Dell G5 15 5590 stress testW gamingowym Dellu G5 procesor przegrzewał się mimo przyzwoitego układu chłodzenia, a nawet i znacznego obniżenia taktowania. [Najedź myszką na obrazek, żeby zobaczyć jak taki sam procesor działał w tańszym Hyperbooku SL504 (AMOLED)]

Takie działanie procesora przełożyło się rzecz jasna na wydajność. Dell miał najgorsze wyniki w testach spośród wszystkich laptopów opartych na tym samym procesorze, a często wypadał też gorzej niż laptopy ze starszym i7-8750H.

Dell G5 15 5590 7-zip

Trzeci powód jest bardziej prozaiczny. Nawet gdy układ chłodzenia jest dobrze dobrany, a napięcia i pozostałe parametry działania procesora prawidłowo skonfigurowane przez producenta urządzenia, pod uwagę trzeba wziąć kolejny czynnik. Z czasem używania laptopa system chłodzenia zwyczajnie się brudzi, a gromadzący się miedzy blaszkami radiatora kurz może nawet całkowicie zablokować przepływ powietrza z wentylatorów i skutecznie ograniczyć zdolność odprowadzania ciepła. Równie istotny jest sam dostęp powietrza do wentylatorów. Większość laptopów posiada wloty na spodzie obudowy zatem kładzenie laptopa na przykład na kocu czy łóżku może istotnie wpłynąć na temperaturę procesora.

 

Throttling energetyczny – przyczyny i przykłady

W tym przypadku powód obniżenia taktowania CPU jest jeden, dosyć oczywisty – przekroczenie limitu energetycznego, jednak może to mieć miejsce z różnych przyczyn.
Jak już wiadomo, procesor może przez określony czas pracować przekraczając PL1, zatem gdy Tau zostało przez producenta urządzenia ustawione zaledwie na kilka-kilkanaście sekund, po tym okresie taktowanie i napięcie CPU podczas obciążenia zostaną natychmiast obniżone odpowiednio tak, aby ciepło generowane przez układ nie przekraczało poziomu TDP. Będzie to na ogół nagły spadek, jednak w zależności od rodzaju obciążenia niekoniecznie od razu do częstotliwości bazowej, bowiem jak już wspominaliśmy, nie każde obciążenie generuje taką samą ilość ciepła, zatem czasami wystarczy obniżyć taktowanie o kilkaset megaherców, żeby zmieścić się w założonym limicie energetycznym i poniżej TJMax. Przykładem nieznacznego obniżenia taktowań jest Hero III od Asusa, który już po około minucie obniżył taktowanie o 500 - 600 MHz, co pozwoliło mu utrzymać się w ramach ustalonego limitu energetycznego (i temperaturowego).

Asus ROG Strix Hero III stress test
Jeżeli obciążenie jest bardziej wymagające lub wykorzystywany jest też zintegrowany układ grafiki (na przykład podczas grania na ultramobilnym laptopie) wspólny limit energetyczny niemal z pewnością zostanie wysycony i to głównie przez iGPU. W tym przypadku taktowanie rdzeni CPU zostanie obniżone w dużo większym stopniu, często do wartości bazowej, a nawet poniżej, jak miało to miejsce we wspomnianym już LG Gramie 17, w którym podczas długotrwałych zastosowań obciążających również zintegrowany układ graficzny taktowanie procesora błyskawicznie spadało do 1,8 GHz, a podczas gry w Skyrima nawet do 1,4 GHz (400 MHz poniżej wartości bazowej!). To 30% maksymalnej częstotliwości. Jeszcze gorzej sytuacja wygląda w przypadku Yogi C930-13, która podczas długiego grania obniżała częstotliwość CPU z 3,9 GHz nawet do zaledwie 900 MHz!

 Lenovo Yoga C930 stress test

Szczególnym przypadkiem są niektóre aplikacje, między innymi różne testy syntetyczne czy tak zwane power-wirusy, które obciążają procesor (CPU i iGPU) w stopniu większym niż niemal maksymalne obciążenie, przy którym Intel określa TDP dla częstotliwości bazowej, a tym samym generują więcej ciepła. W takim scenariuszu, aby układ nie przekraczał TDP taktowanie procesora może zostać obniżone poniżej częstotliwości bazowej.

4