artykuły

Throttling procesora: ograniczanie wydajności czy optymalizacja działania?

Jak działają procesory mobilne.

30
23 stycznia 2020, 17:59 Mariusz Kolmer
  • Zarządzanie energią i mocą obliczeniową jest jedną z najważniejszych cech laptopów
  • Istnieje wiele limitów wpływających na wydajność CPU
  • Laptopy wyposażone w taki sam procesor mogą się znacząco różnić wydajnością
  • Od producentów komputerów przenośnych zależy wydajność i kultura pracy urządzeń

Spis treści

Throttling w procesorach mobilnych – czemu procesor się grzeje i czemu trzeba to kontrolować

Składając komputer stacjonarny jesteśmy na ogół w stanie w oparciu o wybrane komponenty określić w przybliżeniu jego wydajność. Wiemy mniej więcej z jakim taktowaniem będzie pracował dany procesor czy karta graficzna. W przypadku laptopów sytuacja jest bardziej skomplikowana. W różnych urządzeniach takie same podzespoły mogą pracować zupełnie inaczej, a w skrajnych przypadkach wydajność laptopa, nawet wyposażonego w topowy procesor z najnowszej generacji może być niższa niż tańszego lub starszego urządzenia wyposażonego w kilkuletni procesor ze średniej półki cenowej. Przyczyn takich przypadków jest wiele, ale w tym artykule przyjrzymy się jednemu z nich – throttlingowi, i podpowiemy czy da się go uniknąć.

Asus ZenBook 13 UX333FA

Podstawowym zadaniem zarządzania energią w urządzeniach (nie tylko mobilnych) jest zapewnienie układom scalonym optymalnych warunków do działania z jak najwyższą wydajnością. Istnieje wiele czynników mogących wpływać na wydajność komponentów opartych na tranzystorach. Jednym z najbardziej oczywistych jest taktowanie. Częstotliwość taktowania określa jak szybko przez procesor wykonywane są instrukcje. Chociaż wydajność układów o takim samym taktowaniu, ale opartych na różnych architekturach czy dysponujących różną ilością rdzeni nie będzie równa, tak ogólnie można stwierdzić, że zwiększenie taktowania skutkuje wzrostem wydajności konkretnego procesora. Możliwość osiągnięcia wyższej częstotliwości zależy natomiast od kilku czynników, z których wymienić tu należy napięcie i natężenie prądu. Szybsze przełączanie tranzystorów wymaga zwiększenia napięcia, jednak im wyższe napięcie tym bardziej może skracać się żywotność układu. Zwiększenie częstotliwości działania tranzystorów (wraz z częstszym ładowaniem i rozładowywaniem elementów tranzystora) generuje również większe natężenie prądu, zwłaszcza we współczesnych procesorach zbudowanych z miliardów tranzystorów.

throttling w procesorach mobilnych

Z fizyki pamiętamy, że moc jest proporcjonalnie zależna od napięcia elektrycznego i natężenia prądu (P=U*I). Z praw Ohma oraz Joule’a-Lenza wiemy też, że podczas przepływu prądu ilość wydzielanego ciepła jest proporcjonalna do iloczynu oporu przewodnika, kwadratu natężenia i czasu przepływu (Q=R*I2*t). Temperatura natomiast wpływa na właściwości tranzystorów i zbyt wysoka może uniemożliwić ich prawidłowe działanie i doprowadzić do trwałego uszkodzenia układu. To, wraz z tym, że szybsze taktowanie zwiększa natężenie i często wymaga większego napięcia elektrycznego zmusza producentów procesorów do implementacji szeregu limitów (napięcia, natężenia, temperatury i mocy) zapewniających optymalne warunki pracy procesorów oraz do wyznaczenia standardów pozwalających projektować odpowiednie układy chłodzenia zdolne odpowiednio szybko odprowadzić generowane przez procesor ciepło.

Asus ROG Strix Hero III

Moc obliczeniowa związana jest wyraźnie z częstotliwością, zatem z napięciem elektrycznym i natężeniem prądu z jakim działa procesor, a w konsekwencji i z temperaturą. Zarządzanie mocą procesora polega więc na kontrolowaniu tych parametrów tak, aby zapewnić jak najwyższą wydajność układu przy odpowiednio dobranym, najniższym zużyciu energii. We współczesnych procesorach odpowiedzialne są za to mikrokontrolery, które w zależności od przeznaczenia procesora dopasowują mechanizm jego działania.

Asus ZenBook 13 UX333FA

Pierwotnie procesory działały z jednym ustalonym taktowaniem i odpowiadającym mu napięciem. Na przestrzeni lat jednak w co raz bardziej skomplikowanych układach zaimplementowano wiele technologii mających zoptymalizować taktowanie i wydajność, a co za tym idzie i ilość generowanego ciepła w zależności od zapotrzebowania. Podstawowym mechanizmem jest zmienianie częstotliwości taktowania i napięcia zasilania, nie tylko rdzeni CPU ale również innych układów obliczeniowych w tej samej obudowie. W nowoczesnych procesorach taktowanie i napięcie może się zmieniać setki razy na sekundę. Zarządzają nim techniki o różnych nazwach (np. Cool’n’Quiet, EIST, SenseMI, SpeedShift i wiele innych), ale podobnej zasadzie działania. Działają one w oparciu o P-stany (P-states). Każdy P-stan to zoptymalizowane pod kątem wydajności ustalone taktowanie i odpowiadające mu napięcie procesora. Takie obniżanie częstotliwości i napięcia gdy komputer nie jest intensywnie wykorzystywany znacząco zmniejszyło ilość generowanego ciepła. Dalszy rozwój procesorów wielordzeniowych wiązał się z wprowadzeniem kolejnych rozwiązań, jak na przykład niezależne taktowanie dla osobnych rdzeni CPU czy Turbo (pod nazwami Turbo Boost u Intela i Turbo Core u AMD), które jest szczególnie istotne w tym artykule. Funkcja ta umożliwia bowiem procesorom zwiększenie taktowania powyżej wartości bazowej na określony czas (lub o ile nie przekroczone zostaną inne limity, o których piszemy w dalszej części artykułu). Dzięki temu krótkie zadania jak otwieranie przeglądarki czy kompresja niewielkich plików wykonywane są szybciej (co wpływa na responsywność urządzenia), co z kolei skraca się czas trwania obciążenia, a to korzystnie wpływa na baterię.

Powyższe technologie działają dynamicznie i do poprawnego funkcjonowania wymagają stałego monitorowania wielu parametrów z jakimi pracuje procesor. W naszym artykule ograniczyliśmy się do opisania dwóch z nich, szczególnie istotnych przy omawianiu throttlingu: temperatury i energii (TDP) procesora.

Strona:
blubajuZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 33%
blubaju2020.01.23, 18:11
'Throttling w procesorach mobilnych – czemu procesor się grzeje i czemu trzeba to kontrolować'
Czemu procesor się grzeje? Odpowiedź prosta, bo w laptopach jest gówniane chłodzenie. Chcecie schłodzić procesor tym malutkim wentylatorkiem co jest montowany w laptopach? Nie wspominając że praktycznie nikt ze statystycznych użytkowników laptopów nigdy go nie rozbiera i nie czyści tego chłodzenia z nazbieranego syfu, a już o zmianie pasty na procesorze nie mówiąc.
Borat1Zobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Borat12020.01.23, 19:04
Nie wiem po co to pytanie w tytule? Przecież to oczywiste, że to celowe ograniczenie wydajności spowodowanie oszczędnościami na systemie ochłodzenia. I dotyczy to wszystkiego od podłych układów chłodzenia laptopów, przez dyski SSD po najtańszego gluta w procesorach desktop.
k3nzoZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Autor publikacjik3nzo2020.01.23, 19:04
blubaju @ 2020.01.23 18:11  Post: 1231327
'Throttling w procesorach mobilnych – czemu procesor się grzeje i czemu trzeba to kontrolować'
Czemu procesor się grzeje? Odpowiedź prosta, bo w laptopach jest gówniane chłodzenie

w większości niestety tak, ale da sie tez zrobić porządny laptop, w którym procesor przez caly czas trzyma max turbo:
https://pclab.pl/art81453-6.html
Kyle_PLZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Kyle_PL2020.01.23, 20:27
Tak patrzę na te wykresy i dochodzę do wniosku, że niektóre laptopy, to bardziej opłaca się kupić z wolniejszym (i wydzielającym mniej ciepła) CPU - bo co nam po rakiecie, skoro po kilku minutach zwalnia poniżej 50% swojej max wydajności/taktowania.

ps. a testy bardzo fajne - czekałem na takie coś
sVVistakZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
ModeratorsVVistak2020.01.23, 20:47
Czym jednak jest dobre chłodzenie? Może odpowiednie, żeby utrzymać częstotliwość turbo, którą podaje Intel? Wartość ta nie jest jednak gwarantowana przecież. Chodzi o to, że trudno schłodzić procesor o współczynniku TDP wynoszącym 15 watów, który na dodatek współpracuje z dedykowanym GPU, w smukłym i cieniutkim notebooku (ultrabooku - np. 1cm). Fizyki się nie oszuka, albo oczekujemy cienkiego, eleganckiego i lekkiego notebooka, albo wydajnej maszyny z dużym i wydajnym układem chłodzenia. Jest sporo całkiem wydajnych notebooków, które do pracy wymagają niestety słchawek :). Nasuwa się jednak pytanie o balans i różne wymagania użytkowników. Wspomniana rakieta przy odpowiednim schemacie używania i tak będzie wypadkowo szybsza niż wolniejszy CPU. Samo konfigurowanie TDP, tau ma sens, można w ten sposób produkować różnego typu laptopy. Co innego jednak komunikowanie tego konsumentom - tutaj wydaje się być problem.
Kyle_PLZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Kyle_PL2020.01.23, 21:10
sVVistak @ 2020.01.23 20:47  Post: 1231345
Wspomniana rakieta przy odpowiednim schemacie używania i tak będzie wypadkowo szybsza niż wolniejszy CPU.
No nie wiem. Krótkotrwałe duże obciążenia (typu odpalenie przeglądarki itp.) raczej nie wymaga wielu rdzeni, a i trwa na tyle krótko, że różnica niedostrzegalna. Różnica widoczna między CPU będzie przy długim znacznym obciążaniu wielu rdzeni (rendering czegoś, kompresja filmu przy pomocy CPU) ... a tutaj po kilku minutach nam ta rakieta tak zwalnia, że nie będzie różnicy między nią, a CPU po prostu wolniejszym, wydzielającym mniej ciepła, więc przy tym samym słabym chłodzeniu mniej procentowo zwolni.

Także jak miałbym kupować tak throttlującego laptopa, to wybrałbym ten sam model, ale z tańszym CPU - w praktyce, jak dla mnie wydajność taka sama, a pieniądze w kieszeni.
Edytowane przez autora (2020.01.23, 21:11)
Ven2020.01.23, 21:23
Pytanie mam czy jest jakieś narzędzie aby w takim Dell G5 zmienić napięcie na procku? bo BIOS ofc tego nie pozwala a taki undervolting dobrze by sprawdzić
k3nzoZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Autor publikacjik3nzo2020.01.23, 22:08
Ven @ 2020.01.23 21:23  Post: 1231348
Pytanie mam czy jest jakieś narzędzie aby w takim Dell G5 zmienić napięcie na procku? bo BIOS ofc tego nie pozwala a taki undervolting dobrze by sprawdzić

napisałem w artykule (i recenzji Della G5: https://pclab.pl/art81961-6.html ), że bardzo dobrze sprawdza się XTU i obniżenie offsetu napięcia dla CPU. Ponadto w dellach jest możliwość ręcznego ustawienia obrotów wentylatora. W HWiNFO w Sensors trzeba kliknąć czarny kwadracik z wentylatorem i można w zależności od temperatury ustawić prędkość wentylatorów
Edytowane przez autora (2020.01.24, 00:25)
k3nzoZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
Autor publikacjik3nzo2020.01.23, 22:14
a co do cienkich i lekkich laptopów z dedykowaną kartą graficzną to zawsze będę przypominał o omawianym MSI PS42 (https://pclab.pl/art78021-6.html ). Ultralekki (1,2kg) i wyposażony GTXa 1050 podczas półgodzinnego grania taktowanie CPU spadło zaledwie o 500 MHz poniżej maksymalnego turbo dla wszystkich rdzeni, temperatura wynosiła średnio 78 stopni Celsjusza, a przy tym byl cichszy od konkurentów, nawet tych bez dedykowanej karty graficznej! W dodatku na baterii działał 10 godzin, miał świetny ekran i bardzo rozsądną cenę ;)
Edytowane przez autora (2020.01.24, 00:25)
sVVistakZobacz profil
Poziom ostrzeżenia: 0%
ModeratorsVVistak2020.01.23, 22:37
Kyle_PL @ 2020.01.23 21:10  Post: 1231347
No nie wiem. Krótkotrwałe duże obciążenia (typu odpalenie przeglądarki itp.) raczej nie wymaga wielu rdzeni, a i trwa na tyle krótko, że różnica niedostrzegalna. Różnica widoczna między CPU będzie przy długim znacznym obciążaniu wielu rdzeni (rendering czegoś, kompresja filmu przy pomocy CPU) ... a tutaj po kilku minutach nam ta rakieta tak zwalnia, że nie będzie różnicy między nią, a CPU po prostu wolniejszym, wydzielającym mniej ciepła, więc przy tym samym słabym chłodzeniu mniej procentowo zwolni.

To były oczywiście ekstremalne i przerysowane przykłady, bo określenie odpowiedni, w stosunku do schematu używania, od razu brzmi jak coś przygotowanego akurat pod tezę. Zwykle różnice nie są aż tak duże, a granica płynna. Niemniej ja również wybrałbym tańszy procesor, nie ma sensu przepłacać.
Edytowane przez autora (2020.01.23, 22:38)
Zaloguj się, by móc komentować
1