Czy efektywność energetyczna jest ważna?
Dla przeciętnego użytkownika sama efektywność energetyczna nie ma dużego znaczenia, ale wynikające z niej cechy mogą być ważne. Koszt energetyczny różnych zadań wpływa na rachunki za prąd znacznie mniej, niż efektywne wykorzystanie czasu, w którym komputer jest włączony. Większość z nas stosunkowo rzadko obciąża procesor całkowicie. Komputery spędzają najwięcej czasu w stanie spoczynku albo małowątkowego, lekkiego obciążenia.
Efektywność energetyczna ma dla domowego użytkownika zupełnie inne znaczenie, niż w serwerach i centrach danych, których operatorzy mają często dość pracy dla bardzo dużej liczby procesorów. Jeśli procesor X pozwala wykonać jakąś porcję pracy kosztem pewnej porcji energii, a procesor Y pozwala wykonać tę samą pracę kosztem mniejszej porcji energii, to można sobie pozwolić na większą liczbę procesorów Y zamiast mniejszej liczby X. Wtedy w ramach tej samej infrastruktura zasilania i chłodzenia będzie można wykonać więcej obliczeń. W domowych komputerach mamy jeden procesor, i bardzo rzadko dość pracy, żeby zająć go całkowicie. Znacznie ważniejsza jest po prostu wydajność – chcemy krócej czekać na reakcję komputera, i tego zyskanego czasu nie można przeliczyć na dżule i watogodziny.
Energooszczędny procesor oznacza też prostszy i cichszy układ chłodzenia i potencjalnie mniejszą obudowę. W letnich miesiącach – chłodniejsze mieszkanie lub biuro, i łatwiejsze regulowanie temperatury za pomocą klimatyzacji. To jest prawie zawsze ważniejszym czynnikiem, ale nie zależy od efektywności energetycznej, tylko od maksymalnego poboru energii.
Przedstawiony tu eksperyment nie da Wam żadnych informacji, które bezpośrednio wpłyną na decyzje zakupowe: chcieliśmy raczej poszerzyć wiedzę nie tylko o nowych procesorach Intela, ale ogólnie o wszystkich wielordzeniowych procesorach. Głównym przedmiotem tego eksperymentu jest Core i9-10900K – 10-rdzeniowy, 20-wątkowy procesor z 20 megabajtami wspólnej dla wszystkich rdzeni pamięci podręcznej. Punktem odniesienia był Core i9-9900K, 8-rdzeniowy procesor wykonany w niemal identycznym procesie produkcyjnym, ale inaczej sortowany i zapakowany w inną obudowę, nieco mniej ułatwiającą odprowadzanie ciepła. Dodatkowo przetestowaliśmy Ryzena 9 3900X – ma 2 rdzenie więcej niż i9-10900K, jest o wiele tańszy i z pewnością nie jest najefektywniejszym energetycznie Ryzenem. Ma za to bardzo podobny limit mocy, co długotrwały limit mocy dla i9-10900K.
| Model | limit mocy | TDP | |
|---|---|---|---|
| Core i9-10900K | 250 W 56 sek. | 125 W nieograniczony czas | 125 W |
| Core i9-9900K | 210 W 28 sek. | 95 W nieograniczony czas | 95 W |
| Ryzen 9 3900X | 142 W nieograniczony czas | 105 W | |
Mechanizm sterowania taktowaniem w Ryzenie 9 3900X pozwala mu pobierać do 142 W przez nieograniczony czas, dopóki układ chłodzenia jest w stanie odprowadzić tyle ciepła i utrzymać temperature procesora poniżej pewnego progu. Procesory Intela (o ile zachowaliśmy ustawienia fabryczne) mogą pobierać więcej prądu przez ograniczony czas, nawet jeśli układ chłodzenia dobrze radzi sobie z odprowadzeniem bardzo dużej ilości ciepła. Wiele płyt głównych automatycznie zmienia limity energetyczne, ale w tym eksperymencie skupiłem się na sugerowanym przez Intela poziomie wydajności i prądożerności. W celu porównania z Core i9-9900K przetestowaliśmy i9-10900K również w drugiej konfiguracji: z identycznymi limitami mocy, co i9-9900K. Intel daje możliwość ustawienia Core i9-10900K w tryb o TDP wyznaczonym na 95 W, ale ten tryb jest dostępny tylko dla producentów komputerów. Nie możemy go włączyć w UEFI ani za pomocą programu Intel XTU, ale możemy uzyskać niemal ten sam efekt zmieniając ręcznie limity energetyczne. Spodziewamy się, że tak skonfigurowany 10-rdzeniowy procesor będzie w prawie każdym zadaniu oszczędniejszy od 8-rdzeniowego.
Zmierzyliśmy zużycie energii przez cały komputer i przez sam procesor podczas kilku wybranych zadań, które służą nam jako testy wydajności. Przedstawiliśmy wyniki na wykresach podobnych do tego:
Wykresy pokazują przybliżoną moc samego procesora i przybliżoną energię zużytą przez sam procesor podczas różnych testów wydajności. Na każdym wykresie test zaczyna się po 5 sekundach oczekiwania. Większość pokazanych testów kończy się tym szybciej, im wydajniejszy jest procesor. Na wykresie powyżej widać, że procesor ukończył kodowanie wideo w niecałe 90 sekund, pobierał ponad 200 W przez około 50 sekund i ok. 125 W przez resztę czasu i w sumie zużył na to nieco ponad 4 Wh (watogodziny – można porównać do pojemności baterii w laptopach!) energii.
Oprócz tego zmierzyliśmy zużycie energii całego komputera podczas tych samych zadań. Wykresy słupkowe pokazują zużycie energii w całym przedziale czasu pokazanym na wykresie liniowym – czyli całe pole pod wykresem, łącznie ze stanem bezczynności po zakończeniu benchmarka!
Przedział czasu, w jakim zmierzyliśmy całkowite zużycie energii został wybrany subiektywnie. Żaden inny wybór nie jest lepszy ani gorszy. Krótsze okno czasu pokazywało by niemal to samo, co typowe pomiary mocy w stanie ustalonym. Dłuższe okno zmniejszyłoby znaczenie wydajności procesora, bo zysk z ukończenia zadania szybciej zostałby „rozcieńczony” dłuższym okresem bezczynności. Żadne konkretne okno nie reprezentuje typowego scenariusza użytkowania – nikt z nas nie kompresuje plików dokładnie co trzy minuty, ani nie wyłącza komputera natychmiast po zakończeniu zadania. Przełożenie tych danych na rachunki za prąd jest i tak niemożliwe.
W innych artykułach znajdziecie informacje pomocne w zrozumieniu tego eksperymentu:
- Test Core i9-10900K – zajrzyj tu, jeśli szukasz typowych testów wydajności i poboru energii nowych procesorów Intela
- Użycie procesora podczas testów wydajności – w tym artykule pokazaliśmy, jak bardzo lub jak mało wielowątkowe są różne testy wydajności
Maszyna testowa i aparatura pomiarowa
Zużycie energii całego komputera przedstawione na wykresach słupkowych zmierzyliśmy za pomocą licznika energii Gossen Metrawatt Metrahit 29S. To precyzyjny przyrząd mierzący moc skuteczną niezależnie od tego, jak odkształcony jest przebieg (true RMS). Wszystkie pomiary powtórzyliśmy 5 razy. Na wykresie słupkowym jest przedstawiona mediana, a na wykresach liniowych – ten z 5 przebiegów, w którym całkowite zużycie energii było najbliższe medianie.
Dane przedstawione na wykresach liniowych dotyczą samego procesora, nie całego komputera. Pochodzą z czujników wbudowanych w procesor, które są dobrym instrumentem diagnostycznym, ale nie pomiarowym. Co prawda te same czujniki są wykorzystywane do pilnowania limitów energetycznych, a więc muszą być dokładne, ale odczytywanie ich wskazań jest obarczone błędami. Współczesne procesory umożliwiają programowe odczytanie wielu liczników wydajności. Procesor podczas działania liczy różne zdarzenia, np. ukończone instrukcje, pobrania danych z pamięci podręcznej, wykonane skoki i tym podobne. Średnia moc różnych części procesora również jest nieustannie mierzona. Liczbę policzonych zdarzeń można odczytać ze specjalnych rejestrów, w programowy sposób, ale żeby to zrobić, trzeba przerwać na chwilę wykonywanie innych programów. To wpływa na wydajność testowanego programu. Z kolei testowany program – szczególnie jeśli wywołuje bardzo duże obciążenie procesora – nie pozwala odczytywać liczników z pożądaną regularnością. Kolejne pomiary nie są od siebie oddzielone o dokładnie takie same przedziały czasu. Na dodatek nie można dokładnie w tej samej chwili zatrzymać liczenia czasu i liczenia wydarzeń, co powoduje dalsze niedokładności. W sterowaniu pracą procesora to nie przeszkadza, bo PMU – wbudowany w procesor mikrokontroler sterujący taktowaniem i zasilaniem – nie musi rywalizować o zasoby z działającymi programami i nie jest kontrolowany przez system operacyjny. Za to podczas monitorowania działania procesora za pomocą programów diagnostycznych można zauważyć wynikające z tego błędy, np. pozorne przekraczanie limitu energetycznego przez procesor. Z tych powodów dane z wykresów liniowych uważamy za przybliżone i użyteczne tylko do wyrobienia sobie pojęcia o działaniu procesora i specyfice testów.
Płyty główne i inne
Wykorzystaliśmy trzy różne płyty główne: Asus Maximus XII Extreme, Asus Maximus XI Formula i Asus Crosshair VIII Formula. Wszystkie trzy mają podobnej klasy układ zasilania, co nie oznacza, że są równie energooszczędne: płyty dla procesorów AMD z chipsetem X570 pobierają nieco więcej prądu, niż płyty z innymi chipsetami AMD. Całe dodatkowe wyposażenie inne niż to wbudowane w procesor i chipset – kontrolery USB i SATA, układy sieciowe LAN 50 Gb/s lub 10 Gb/s, kontrolery sieci bezprzewodowych, oświetlenie LED – było wyłączone.
W maszynie testowej wykorzystaliśmy kartę graficzną GeForce RTX 2080 (co nie ma wielkiego znaczenia – nie jest używana przez żaden z tych testów), zasilacz Enermax Platimax 850 W, nośnik SSD SATA i układ chłodzenia SilentiumPC Navis 240 Pro.
Zadania obliczeniowe
Skupiliśmy się na wielowątkowych zadaniach. Niektóre z nich są na tyle krótkie, że Core i9-10900K zdąży je ukończyć w 56-sekundowym przedziale, w którym może pobierać do 250 W. Jedno jest tak długie, że okno turbo nie ma istotnego znaczenia.
Gdzie są gry?
Efektywność energetyczna procesora w grach nie ma większego znaczenia: pobór mocy jest zdominowany przez kartę graficzną. Jest też bardzo dobrze reprezentowana przez dane, jakie zwykle prezentujemy w testach procesorów. Czas rozgrywki nie zależy od tego, jak wydajny jest procesor: nie można policzyć szybko wszystkich potrzebnych klatek obrazu i wyłączyć procesora. Wystarczy pomnożyć moc przez czas rozgrywki, żeby dowiedzieć się, ile energii zużyje cały komputer.
Gdzie jest mój ulubiony procesor lub benchmark?
Oczywiście najlepiej byłoby mieć takie dane o każdym procesorze i każdym benchmarku. Po zastosowaniu pewnej automatyzacji ich zebranie nie byłoby trudne. Do tej pory nie zbieraliśmy ich, a pomiary na potrzeby tego artykułu były długotrwałe i pracochłonne. Wybraliśmy te procesory i testy, które – jak sądzimy – pozwolą nam przekonać się, jak efektywny energetycznie jest 10-rdzeniowy Comet Lake w porównaniu do podobnych procesorów. Gdybyśmy mieli dodać więcej pomiarów, wybralibyśmy w pierwszej kolejności Ryzeny 3700X i 3950X (w trybie fabrycznym i ECO); w drugiej Threadrippera 3960X oraz Core i9-10980XE. Warto byłoby też porównać Core i9-10900K do Core i9-9900K z maksymalnym możliwym dla każdego z nich taktowaniem przy identycznym napięciu zasilania. Na razie te eksperymenty muszą poczekać na inną okazję.
Koszt energetyczny bezczynności
Ile prądu kosztuje nie robienie niczego na komputerze?
To zwykle zależy od komponentów innych niż sam procesor. Każdy nowoczesny procesor w stanie bezczynności jest niemal całkowicie wyłączony, ale zasilacz, płyta główna, wentylatory i inne peryferia pracują. Bezczynność Ryzena 9 3900X jest najbardziej prądożerna, głównie z powodu płyty głównej z chipsetem X570 – pobierają one zauważalnie więcej prądu, niż te ze chipsetami serii 300 i 400. Na innej płycie 3900X byłby w spoczynku troszkę bardziej prądożerny od i9-10900K.
Koszt energetyczny renderowania – Blender
Renderowanie dużej sceny trwa na najszybszym z tych procesorów kilkanaście minut. To najbardziej dobitny przykład różnic w wydajności i efektywności energetycznej.
Ryzen 9 3900X jest w tym najszybszy i najbardziej efektywny energetycznie, ale tylko wtedy, kiedy wyłączymy komputer po skończneiu renderowania (albo zaczniemy natychmiast nowe zadanie). Ponieważ w spoczynku pobiera więcej prądu od obu procesorów Intela, po długim okresie bezczynności dogania ich zużycie energii. Core i9-9900K pobiera najmniej prądu z przetestowanych procesorów, ale ponieważ jest najmniej wydajny, musi to robić dłużej. W konsekwencji potrzebuje na wyrenderowanie sceny najwięcej energii.
Core i9-10900K zdąża wykonać to zadanie zanim musi obniżyć pobór energii do 125 W. Jest w nim najszybszy, ale i najbardziej prądożerny. Za to po obniżeniu limitu energetycznego do 210 W przez 28 sekund i 95 W później staje się najoszczędniejszy. Paradoksalnie skrócenie okna turbo działa na korzyść oszczędności – ale oczywiście nie wydajności, bo na wynik operacji będziemy czekać dłużej.
Koszt energetyczny kompresji
Kompresja małych plików to osobliwy test, którego długość zależy zarówno od wydajności wielowątkowej jak i jednowątkowej procesora. Po pewnym okresie kompresowania najmniejszych plików (które można rozdzielić między wiele wątków) resztę operacji zajmuje oczekiwanie na dwa ostatnie wątki kończące kompresję dwóch najwiekszych plików. W artykule „Użycie procesora podczas testów na PCLab.pl” pokazaliśmy specyfikę tego testu dokładniej.
Efektywność energetyczna wszystkich procesorów jest bardzo zbliżona. Tylko Core i9-10900K ze zmniejszonym limitem energii wyróżnia się. Ponieważ limit energii nie ogranicza taktowania podczas jednordzeniowego obciążenia, jego bardzo szybkie jednordzeniowe turbo pozwala mu zachować wysoką wydajność.
Koszt energetyczny kodowania wideo
Wykres mocy podczas kodowania wideo doskonale pokazuje sposób działania turbo w tych trzech procesorach. Core i9-10900K i Core i9-9900K mają dwa wyraźnie różne poziomy poboru energii odpowiadające dwóm limitom energetycznym. Ryzen 9 3900X działa z niezmienną mocą aż do ukończenia zadania.
Core i9-9900K jest w tym zadaniu najwolniejszy, ale z włączeniem okresu bezczynności jest niemal tak samo efektywny, jak Ryzen 9 3900X. i9-10900K jest na szarym końcu w efektywności energetycznej, dopóki nie obniży mu się limitu energetycznego do 95 W.
Koszt energetyczny obliczeń i symulacji
Ten test wykorzystuje instrukcje AVX512, o ile procesor może je wykonywać – w tym przypadku wszystkie trzy procesory wykonują bardzo podobny kod, choć y-cruncher ma osobne wersje zoptymalizowane dla Zen i Skylake.
Core i9-10900K nie jest ani najszybszy, ani najoszczędniejszy: w obu aspektach przegrywa z Ryzenem 3900X, a w efektywności jest zdeklasowany przez każdy inny procesor. Oczywiście tylko z fabrycznymi parametrami – ze zmniejszonym limitem energii jest efektywniejszy od innych procesorów i ciągle szybszy od i9-9900K.
Analiza szachowa za pomocą silnika Stockfish nie jest tak jak inne testy skończonym zadaniem. Na potrzeby testów wydajności ograniczam ją do 4 minut (3 minuty rozgrzewki i 1 minuta pomiaru wydajności), ale typowy scenariusz użytkowania polega na tym, że silnik działa w tle i analizuje na żywo zmieniającą się partię. Ukończenie zadania szybciej nie ma wielkiego znaczenia. Koszt energetyczny 4 minut analizy jest wprost proporcjonalny do limitów energetycznych, jakie narzucimy procesorom. Za to połączenie tej informacji z wydajnością może być ciekawe.
Core i9-10900K jest najbardziej prądożerny, co nie jest zaskoczeniem, skoro ma najwyższy limit mocy. Z ciekawości przeliczyłem wydajność na konsumpcję energii. Ta wielkość nie ma praktycznego znaczenia – liczy się liczba przeszukanych pozycji, a nie liczba pozycji policzonych z użyciem ograniczonej porcji energii, bo to zadanie nie jest ograniczone czasem. Za to mówi nam coś o efektywności obliczeniowej procesorów. Core i9-10900K z limitem 95 W zużywa mniej energii od i9-9900K (zapewne z powodu niedokładnego trzymania się limitu), ale jest od niego o 15% wydajniejszy!
Core i9-10900K – taktowanie zamiast efektywności energetycznej
Wyniki eksperymentu potwierdzają coś, co zaobserwowaliśmy już w przypadku Ryzenów 3000 i Ryzenów Threadripper: im więcej rdzeni ma procesor, tym jest zwykle efektywniejszy energetycznie w wielowątkowych zadaniach. Core i9-10900K też mógłby być efektywniejszy od i9-9900K, i rzeczywiście jest po obniżeniu limitu energetycznego do takich samych wartości, jakie Intel ustalił dla 8-rdzeniowego Coffee Lake.
Za to fabryczne parametry i9-10900K pokazują, że ogromną część potencjalnej efektywności energetycznej poświęcono w pogoni za najszybszym taktowaniem, a co za nim idzie: najlepszą wydajnością w grach. Być może opcjonalny tryb zmniejszonego TDP i niższych limitów energetycznych powoduje, że to mała strata. Być może uznano, że skoro i tak nie można wygrać w wydajności wielowątkowej z Ryzenami 3000, to poświęcenie efektywności nie jest bardzo ważne. Najważniejsze, że limity energetyczne można swobodnie konfigurować – niezaplanowany przez Intela odpowiednik trybu ECO z procesorów Ryzen 3000 jest dla nas dostępny.
Co dziwne, przetestowane procesory wcale nie są od siebie bardzo odległe w efektywności energetycznej. Różnice w wydajności są często większe, niż w efektywności energetycznej. Oczywiście każda z tych architektur i technik fabrykacji ma gdzieś złoty środek, taką kombinację taktowania i napięcia zasilania, która daje znacznie lepszą efektywność energetyczną, ale wszystkie są od tego złotego środka daleko. Ich fabryczne parametry są ukształtowane nie tylko przez czynniki techniczne, ale m. in. przez typowe limity energetyczne właściwe dla wszystkich komputerów biurkowych z ostatnich lat.
A najbardziej zadziwiające jest to, jak z używanej od lat techniki fabrykacji Intelowi udaje się wydobyć ciągle jeszcze trochę, choć już rok i dwa lata temu byliśmy prawie pewni, że już nic więcej nie da się zrobić z architekturą Skylake i procesem produkcyjnym klasy 14 nm.