Throttling procesora: ograniczanie wydajności czy optymalizacja działania?

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.

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.

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.

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.

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.