Tryb turbo i jego działanie w mobilnych Ryzenach

Spis treści

Tryb turbo i jego działanie w mobilnych Ryzenach

Temat zarządzania energią i trybem turbo w urządzeniach mobilnych był już przez nas omawiany w artykule poświęconym zjawisku throttlingu w laptopach. Choć skupiliśmy się w nim głównie na układach Intela, wiele zawartych tam informacji jest aktualne także w przypadku nowych mobilnych procesorów od AMD, zatem zachęcamy najpierw do zapoznania się z artykułem pod tym adresem.
Podobnie omawiając działanie turbo w Ryzenach, skupimy się na mechanizmach kontrolujących moc procesora podczas obciążenia oraz na limitach, które nimi zarządzają.
Tak jak już pisaliśmy we wspomnianym artykule, różne rodzaje zastosowań przy 100% wykorzystaniu wszystkich rdzeni mogą także w różnym stopniu obciążać inne elementy układu (np. cache czy kontroler pamięci). W zależności od rodzaju obciążenia, w tym samym budżecie energetycznym różna cześć mocy może być skierowana do różnych elementów układu, a tym samym mniej lub więcej ze wspólnego budżetu mogą wykorzystać same rdzenie. Tym samym częstotliwość ich pracy mimo takiego samego limitu energetycznego może się różnić w konkretnych zastosowaniach. Dlatego w tym artykule częściej niż częstotliwością będziemy posługiwać się pojęciem mocy całego układu.

Tryb turbo i jego działanie w mobilnych Ryzenach – SenseMI, PB2, mXFR

Procesory Ryzen wyposażone są w siatkę połączonych ze sobą czujników o dużej dokładności. Generują one dane telemetryczne, które trafiają do Infinity Fabric. IF może w czasie rzeczywistym regulować działanie CPU w oparciu zarówno o otrzymane dane i bieżące warunki pracy, jak i też te przewidywane przez wbudowane algorytmy. Zestaw kilku funkcji działających w oparciu o dane telemetryczne i inteligentną predykcję nosi wspólną nazwę SenseMI.
Jednym z tych mechanizmów jest Precision Boost 2. Technikę tę znaną z procesorów desktopowych można w skrócie określić jako precyzyjne oportunistyczne dobieranie optymalnego taktowania do rodzaju obciążenia, możliwości termicznych i elektrycznych układu niezależnie od ilości wykorzystywanych wątków. Zatem w przeciwieństwie do procesorów Intela nie ma tu sztywno zdefiniowanych maksymalnych częstotliwości dla danej liczby obciążonych rdzeni, a samo taktowanie może być zmieniane w krokach nawet co 25 MHz.

Drugim spotykanym w mobilnych Ryzenach mechanizmem wykorzystującym wspomniane dane telemetryczne jest Mobile Extended Frequency Range. mXFR pozwala na zwiększenie częstotliwości działania procesora nieco ponad nominalną maksymalną wartość turbo. Oczywiście w przypadku laptopów takie rozwiązanie jest sporym wyzwaniem. Żeby mogło funkcjonować laptop musi być wyposażony w wydajny układ chłodzenia zapewniający odpowiednio niską temperaturę CPU. W takim wypadku spora rezerwa termiczna (thermal headroom) pozwala utrzymywać (osiągać) podwyższone taktowanie oraz wyższą średnią częstotliwość dużo dłużej, nim zostanie osiągnięty limit temperaturowy lub elektryczny.

Tryb turbo i jego działanie w mobilnych Ryzenach – limity mocy

 W przypadku Ryzenów możemy wyróżnić kilka limitów wpływających na działanie procesora:

• PPT (Package Power Tracking) – podstawowy, długotrwały limit mocy wydzielanej przez cały układ. Określa poziom maksymalnej mocy procesora, która może być stale utrzymywana. Najczęściej równy TDP i służący do określania ilości ciepła jaką powinien być w stanie odprowadzić układ chłodzenia. W niektórych procesorach PPT może być  czasowo podniesiony do poziomu dwóch limitów określanych jako PPT Fast i PPT Slow.

W przypadku prezentacji działania procesorów AMD używa dodatkowo określeń:

• SPL (Sustained Power Limit) – długotrwały (podstawowy) limit energetyczny; czyli jest to odpowiednik PPT
• BPL (Boost Power Limit) – krótkotrwały limit energetyczny; określa poziom, do którego na jakiś czas może wzrosnąć moc procesora

Poza tym, istotną rolę w regulacji działania turbo odgrywają też limity natężenia prądu. Jeżeli żaden z poniższych nie jest przekroczony procesor może działać z wyższą mocą.

• EDC (Electrical Design Current) – krótkotrwały limit natężenia prądu zasilającego procesor; określany przez producentów urządzeń w zależności od możliwości układu zasilania
• TDC (Thermal Design Current) – długotrwały limit natężenia prądu zasilającego procesor; określany przez producentów urządzeń w zależności od możliwości układu chłodzenia

Tryb turbo i jego działanie w mobilnych Ryzenach – STAPM

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na co raz cieńsze i lżejsze laptopy, pojawia się potrzeba, żeby procesor zwiększył swoje możliwości kontroli termicznej i elektrycznej. To może przynieść wiele korzyści, jak nie tylko wyższa, ale też bardziej stabilna, utrzymywana na stałym poziomie wydajność CPU oraz niższa temperatura obudowy laptopa zwiększająca komfort korzystania z urządzenia.

Podstawowym mechanizmem zarządzania boostem (czyli czasem i poziomem do jakiego zostają podniesione zegary CPU powyżej wartości bazowej) w mobilnych procesorach AMD jest znany co najmniej od 2014 roku z układów Beema/Mullins, STAPM, czyli Skin Temperature Aware Power Management.  Wspomniane procesory to układy przeznaczone do laptopów i tabletów, zatem AMD opracowując STAPM wyszło z założenia, że dla użytkowników takich urządzeń dużo ważniejsza od temperatury znajdującego się w środku CPU, jest temperatura obudowy urządzenia na ogół trzymanego w rękach czy na kolanach.

Przed wprowadzeniem metody STAPM, żeby utrzymać temperaturę urządzenia (Tskin) poniżej maksymalnego akceptowalnego poziomu (Tskinmax), ograniczana była maksymalna temperatura działania (Tj) procesora. Przez to wydajność była niższa, a obciążenie trwało dłużej.

STAPM zamiast jak do tej pory sztywno ograniczać temperaturę działania procesora, umożliwia wykorzystanie pojemności cieplnej układu chłodzenia. Dlatego w pewnym oknie czasowym procesor może działać z dużo wyższym taktowaniem i osiągać dużo wyższą temperaturę (nawet powyżej 100 stopni Celsjusza) – dopóki system odprowadzający ciepło się nie wysyci, a temperatura obudowy nie osiągnie określonego maksymalnego poziomu (Tskinmax). Po tym procesor wraca do niższego trybu energetycznego.

To rozwiązanie ma wiele korzyści. Choć temperatura obudowy w takim przypadku może szybciej osiągnąć Tskinmax, to w przypadku wymagających zadań będą one trwały na tyle krócej, że Tskinmax może w ogóle nie zostać osiągnięte, zaś dłuższe zadania wykonywane zostaną w krótszym czasie, a procesor będzie mógł szybciej powrócić do niższego taktowania.

Wadą tej metody jest niestety to, że temperatura obudowy nie jest mierzona, ale szacowana. W urządzeniu wcale nie ma dedykowanego czujnika monitorującego temperaturę obudowy. AMD opracowało algorytm zbierający dane działania procesora i innych podzespołów, jednak to po stronie producentów sprzętu jest dostosowanie parametrów jego działania do budowy konkretnych urządzeń i ich układów chłodzenia.

Obecnie w mobilnych Ryzenach wygląda to tak, że moc procesora Package Power (wyrażana w watach) może być zwiększona dopóki jej średnia wartość (STAPM Limit) z przesuwającego się okna czasu (np. 10 minut) nie osiągnie wartości TDP/Sustained Power Limit (SPL).
Mechanizm ten przedstawia poniższy wykres. Po włączeniu obciążenia procesor działa z podniesionym limitem energetycznym, jednak wraz z upływem czasu średnia moc procesora (zaznaczona niebieską linią) w ruchomym oknie czasu wzrasta. Gdy osiągnie wartość równą TDP (SPL), procesor obniża swoją moc i utrzymuje ją na poziomie określonym przez długotrwały limit energetyczny.

Jak widać wykres przypomina ten znany z działania turbo w procesorach Intela. Jednak w tym wypadku czas trwania czasu turbo jest określany w nieco inny sposób.