www .rud ometov. com
Продуктивність і енергоспоживання комп'ютера залежить як від вбудованих всередину чіпів елементів управління продуктивністю, так і від технологій реалізованих в архітектурі материнської плати
Засоби управління продуктивністю і енергоспоживанням знаходять все більшого поширення. Вбудовані ланцюга, що забезпечують у меньшеніе тактової частоти при зниженні обчислювального навантаження, дозволяє зменшити напругу живлення, а зменшення обох цих параметрів сприяє значному зниженню теплоутворення.
Як приклад ефективних засобів управління продуктивністю і оптимізації енергоспоживання (а, отже, і зниження теплоутворення) можна привести процесори Intel. У їх складі реалізовані наступні засоби:
· Детектор аварійного перегріву (catastrophic shutdown detector);
· Механізм автоматичного термального моніторингу (automatic thermal monitoring mechanism) - Thermal Monitor 1 і Thermal Monitor 2;
· Модуляція тактової частоти за запитом (software controlled on-demand clock modulation);
· Технологія Enhanced Intel SpeedStep.
Детектор аварійного перегріву - повністю автоматичний механізм, що вперше з'явився в процесорах сімейства P6 і реалізований також в процесорах Intel Pentium 4, Xeon і Pentium M. По досягненню певного температурного менша, ніж визначено при виготовленні процесора, робота припиняється до надходження спеціального сигналу RESET #.
Thermal Monitor 1 (TM1) - механізм, який отримав поширене найменування «троттлінг» (Throttling або Thermal Throttling, а також Thermal Trip). Реалізовано в процесорах Intel Pentium 4, Xeon і Pentium M. Є поєднанням другого температурного сенсора (перший служить механізмом аварійного відключення), також калібрується на етапі виготовлення процесора, і механізму модуляції тактової частоти процесора.
Модуляція тактового сигналу, що подається на процесор системою термоконтроля, наведена на Рис. 1.
Мал. 1. Модуляція тактового сигналу, що подається на процесор системою термоконтроля
На відміну від детектора аварійного перегріву, механізм TM1 є як визначаються, так і контрольованим за допомогою спеціальних інструкцій. Згідно з рекомендаціями Intel, механізм TM1 повинен включатися в BIOS при ініціалізації процесора і не змінюватися згодом операційною системою. У разі позаштатної ситуації, наприклад, зупинці кулера, механізм забезпечує підтримку температури процесора на максимально безпечному рівні за допомогою зниження його продуктивності.
Thermal Monitor 2 (TM2) - більш досконалий механізм захисту процесора від перегріву, реалізований в процесорах Intel Pentium M, а також в поліпшених моделях Intel Pentium 4 і Xeon. Істотною відмінністю від TM1 є управлінням частотою (точніше, FID - множником частоти системної шини) і годує напругою (VID) процесора. За рахунок зниження напруги живлення, TM2 дозволяє зберегти більшу продуктивність процесора в ситуації перегріву при однаковому зниженні рівня споживаної ним електроенергії. Відповідальність за використання TM2 покладається на BIOS.
Включення механізму TM2 рекомендовано для старших моделей процесорів, наприклад, для моделей не менш 2.8 ГГц при тактовій частоті шини 166 МГц і не менше 3.6 ГГц при тактовій частоті шини 200 МГц. Для молодших моделей рекомендується використовувати TM1. Одночасне включення або виключення TM1 і TM2 є позаштатним режимом роботи процесора і не рекомендується виробником. Встановлення значень FID і VID повинна відбуватися BIOS на етапі ініціалізації процесора.
Модуляція тактової частоти за запитом (ODCM) забезпечує програмне зменшення теплового навантаження на процесор під час його простою. Забезпечується програмне завдання мінімального рівня циклу корисної дії процесора за рахунок технології програмної модуляції тактової частоти процесора (троттлінга).
Технологія Enhanced SpeedStep (EIST) забезпечує енергозбереження, а, отже, і низьке теплоутворення. Спочатку вона з'явилася в процесорах Intel Pentium M. Прийшла на зміну технології Intel SpeedStep, використовуються під в мобільних процесорах Intel Pentium III і Pentium 4. Більш досконала технологія забезпечує більш ефективне управління енергоспоживанням процесора за допомогою динамічної зміни дискретних станів продуктивності процесора (P-state transitions, кожне P-state задається комбінацією значень FID і VID).
Чи не залишені розробниками зазначених коштів і сучасні багатоядерні процесори, більшість з яких створюються по архітектурі Intel Core. До них відносяться двоядерні Intel Core 2 Duo і чотириядерні моделі. До слова сказати, верхні дво- (Рис. 2) і чотириядерні моделі підтримують всі раніше розглянуті технології управління продуктивністю і енергоспоживанням. До них відносяться: технологія управління продуктивністю процесора за запитом Enhanced Intel SpeedStep (EIST), функції захисту процесора від перегріву Thermal Monitor 1 (TM1) і Thermal Monitor 2 (TM2), технологія модуляції тактової частоти процесора за запитом On-Demand Clock Modulation (ODCM ), а також поліпшені режими простою Enhanced C States (CxE).
Мал. 2. Процесор Intel Core 2 Extreme X6800
У багатоядерних процесорах лінійок Intel Core 2, а також в мобільних процесорах Intel Core Solo / Duo, остання функція була розширена на випадок всіх можливих станів бездіяльності процесора. включаючи режими Stop Grant (C2), Deep Sleep (C3) і Deeper Sleep (C4). Для десктопних процесорів Intel Core 2 за замовчуванням включений лише режим Enhanced Halt (C1) State - C1E. Пов'язано це з тим, що більш глибокі режими «сну» процесора, як правило, не використовуються в десктопних платформах. Так, наприклад, завдяки використанню режиму C1E номінальна частота ядра процесора «скидається» до мінімального рівня - 1600 МГц (тактова частота шини 266 МГц, мінімальний множник 6x).
Оцінюючи перераховані технології, необхідно відзначити, що до засобів управління продуктивністю слід віднести і, наприклад, розгін (overclocking). Ідея розгону, як порівняно простого і щодо дешевого методу підвищення продуктивності раніше купленого або нового комп'ютера, задоволена проста. В її основі лежить реальна можливість експлуатації комплектуючих в форсованих частотних режимах. А, як відомо, підвищення тактових частот дозволяє вирішувати завдання за менший час або обробляти великі обсяги інформації за одиницю часу.
Продуктивність = (Кількість інструкцій) / (Час виконання).
Цей вислів можна переписати у вигляді добутку кількості інструкцій, виконуваних за один такт (Instruction Per Clock. IPC), на кількість тактів за одиницю часу (тактова частота, F):
Таким чином, продуктивність пропорційна частоті. Правда, в реальності залежність не є строго лінійної, оскільки через високі частот частина переданої інформації спотворюється і тому передачі доводиться повторювати. Крім того, є ще й проблема синхронізації роботи окремих вузлів і підсистем, що породжує затримки. Проте, зі зростанням тактових частот зростає і продуктивність, по крайней мере, поки частка перекручених посилок і сумарний обсяг затримок не зупинять цей ріст.
Для підтримки зростання тактових частот чіпів вище номіналу, як випливає з фізики, доводиться збільшувати і рівні живлячої напруги, що призводить до зростання теплоутворення:
Тут, P - потужність теплоутворення; С - коефіцієнт, що враховує особливості архітектури чіпів; V - напруга живлення; F - тактова частота.
До речі, зменшення тактової частоти дозволяє знизити напругу живлення, а зменшення обох цих параметрів відповідно до наведеної формулою сприяє зниженню теплоутворення. А це в свою чергу, знижує навантаження на засоби охолодження, що дозволяє зменшити швидкість обертання вентиляторів, знизити шум, економити електроенергію (істотно в ноутбуках і серверах).
Справедливості заради слід зазначити, що далеко не всі фахівці поділяють ентузіазм прихильників форсованих режимів, хоча число любителів розгону досить високо.
Можливість розгону процесора заснована на тому, що більшість процесорів мають досить великий технологічний запас, що забезпечує гарантований рівень продуктивності всієї випущеної серії.
Незважаючи на неприйняття багатьма фахівцями і комп'ютерними фірмами такого явища, як розгін, можливості управління продуктивністю продовжує завойовувати популярність, збільшуючи число своїх прихильників. Фірми-виробники материнських плат, здійснюючи свою діяльність в жорсткій конкурентній боротьбі, не змогли проігнорувати думку потенційних покупців. Саме тому відповідні функції підтримуються більшістю їхніх виробів.
Вибираючи оптимальну материнську плату за критерієм наявності функцій розгону, необхідно оцінювати ряд особливостей, що забезпечують реалізацію даних специфічних режимів.
Перш за все, це стосується діапазону робочих частот шин процесора (FSB) і пам'яті, а також кроку їх зміни. Справа в тому, що, як правило, сучасні процесори мають фіксований частотний коефіцієнт, що визначає внутрішню частоту роботи ядра (ядер) процесора через частоту шини FSB. Тому розгін зазвичай здійснюється збільшенням частоти шини процесора FSB. При цьому необхідно враховувати, що збільшення частоти шини процесора нерідко супроводжується відповідною зміною частотних режимів роботи інших комплектуючих.
Що ж стосується традиційних режимів розгону центрального процесора комп'ютера, то, як зазначалося вище, це досягається зазвичай збільшенням частоти шини процесора FSB. Однак її зростання в ряді випадків супроводжується зміною режимів інших компонентів системи. Це можуть бути, наприклад, накопичувачі на жорстких магнітних дисків. Для забезпечення надійної роботи і збереження інформації для нього не слід значно (більш 10%) збільшувати тактову частоту шини підключення.
Необхідно відзначити, що для екстремальних режимів, при яких досягається максимальний приріст продуктивності, потрібно значно більше збільшення напруги живлення, нерідко досягає 20%. Проте, для забезпечення максимальних рівнів надійності і безпечної експлуатацій доцільно утримуватися від режимів з підвищеними рівнями енергоживлення.
Зміна частоти і напруги може здійснюватися як за допомогою відповідних перемикачів і перемичок в материнських платах попередніх поколінь, так і програмно - в BIOS Setup. Звичайно, розгін, здійснюваний програмними засобами, набагато зручніше, так як спрощує процедуру вибору режимів, що забезпечують максимальну продуктивність комп'ютера. При цьому, використовуючи можливості технологій типу SoftMenu в BIOS Setup, не потрібно навіть відкривати системний блок комп'ютера. Всі операції по розгону і контролю за встановленими параметрами здійснюються у відповідних пунктах меню BIOS Setup.
Апаратну підтримку даних можливостей здійснюють спеціальні ланцюги, що задають частотні режими основних підсистем.
Зміна частотних режимів здійснюється за допомогою вбудованих в архітектуру материнських плат спеціальних засобів. До їх числа відносяться чіпи PLL (phase-locked loop), що реалізують в своєму складі керованих струмом або напругою генераторів (VCO - Voltage Controlled Oscillator), які здійснюють постійне відстежування фази вхідного сигналу. Такі генератори використовуються для управління частотою. На материнській платі чіпи PLL використовується для формування декількох частот.
Один із прикладів реалізації PLL, який використовується, до речі, в материнських платах такого відомого виробника як Gigabyte, наведено на Рис. 3.
Мал. 3. Варіант реалізації схеми чіпа PLL
Електронні ланцюги з апаратно-програмним зміною частот, що подаються на основні підсистеми комп'ютера, забезпечують широкі можливості для управління продуктивністю і енергоспоживанням.
Найбільш досконалі комплексні варіанти апаратно-програмного управління дозволяють ще й порівняно плавну зміну рівнів напруг живлення і часових параметрів, що визначають роботу модулів підсистеми оперативної пам'яті.
Як приклад можна привести ряд технологій, що використовуються в материнських платах компанії Gigabyte, що є одним з лідерів даного сектора ринку.
Говорячи про засоби управління не можна не відзначити таке нововведення як динамічний розгін, що забезпечує автоматичну зміну тактових частот в залежності від зміни обчислювального навантаження. Такі засоби забезпечують зростання тактових частот при збільшенні навантаження і зменшення - при її зниженні, що покращує теплові режими експлуатації комплектуючих. Як приклад можна привести технологію C. I. A. 2.
Технологія C.I.A. 2 (CPU Intelligent Accelerator) здійснює динамічна зміна частоти процесора (точніше, FSB) і напруги живлення в залежності від поточної завантаження. Можливий вибір одного з режимів розгону: Disable, Cruise, Sports, Racing, Turbo, Full Thrust. Кожен з режимів визначає діапазон приросту тактової частоти.
Ще одним інструментом підвищення продуктивності комп'ютера є фірмові засоби поліпшення роботи підсистеми пам'яті. Як приклад може розглядатися M.I.B. 2 (Memory Intelligent Booster 2), створена Gigabyte і дозволяє оптимізувати роботу з оперативною пам'яттю за рахунок обліку характеристик відомих чіпів / модулів. Як показують результати тестування, крім збільшення тактових частот технологія Memory Intelligent Booster 2, дійсно, задіє механізми, що сприяють збільшенню пропускної здатності шини пам'яті.
Залишається додати, що зазначені технології доповнює набір фірмових утиліт від того ж виробника материнських плат. До їх складу входить програма EasyTune 5 (і / або новітня EasyTune Center) для моніторингу системних параметрів і здійснення розгону (Рис. 4). Для користувачів є зміна частоти і множника процесора, множник для пам'яті, частоти шини PCI Express і напруги живлення процесора, пам'яті і південного моста чіпсета, але в менших межах, ніж доступно з BIOS. А ще слід відзначити налаштування режимів в SmartFan: можна вибрати діапазон частоти обертання від 0 до 100% і відповідну граничним значенням температуру.
Мал. 4. Вибір параметрів C.I.A. 2 і приклад роботи EasyTune 5
І звичайно, в BIOS Setup передбачені численні параметри грубої і / або тонкої настройки ефективної роботи основних підсистем. До них відносяться зміна частотних режимів, напруг живлення, таймінгів модулів пам'яті, управління вентиляторами і т. П.
Розглядаючи фірмові апаратно-програмні засоби, не можна не згадати і про деякі особливості архітектури материнських плат. Вони дозволяють розширити діапазони управління і збільшити функціональні можливості. Дійсно, спеціалізовані чіпи разом з чіпсетом забезпечують підтримку фірмових технологій. А в ряді випадків за рахунок ретельного опрацювання архітектури та дизайну плати вдається послабити обмеження, що накладаються чіпсетами, які є, по суті, основою материнських плат.
Оцінюючи наведені рішення, необхідно відзначити, що даний огляд не претендує на повноту. Спектр фірмових технологій, орієнтованих на оптимізацію комп'ютерних можливостей, звичайно, істотно ширше.
На закінчення слід в черговий раз нагадати, що вибір оптимальної материнської плати є дуже важливим етапом. Саме на цьому етапі нерідко закладаються можливості майбутнього комп'ютера. І в їх розширенні можуть істотно допомогти фірмові апаратні і програмні засоби.