SpeedStep и все-все-все

Мы все с вами знаем, что энергия — штука не дешевая и водится не повсеместно. И, как говорится, чем дальше, тем страшнее — вот почему все человечество обеспокоено вопросами ее экономии. Подходы к этой экономии самые различные, тут и ветряки, и электромобили, и повсеместный учет всего и вся, и многое другое – главное, что движуха идет повсюду. Не отстают от тренда и производители цифровых устройств, а в чем-то даже его опережают, по крайней мере, результаты в этой области существенней и реальней, чем в других. Чтобы в этом убедиться, поговорим о технологиях энергосбережения в процессорах Intel.

Впервые слово «энергосбережение» появилось в спецификациях Intel в конце прошлого века, когда была анонсирована технология SpeedStep для мобильных процессоров Intel Pentium III, которая предусматривала возможность понижения частоты процессора в период его бездействия. Первоначально, в первой версии SpeedStep, рабочих частот было всего две – обычная и пониженная. Соответственно, имелось два показателя тепловыделения и потребляемой мощности.
Далее эволюция SpeedStep шла по пути усложнения схем питания процессора. Более продвинутая технология Enhanced Intel SpeedStep (EIST) оперировала уже несколькими промежуточными точками между максимально и минимально возможными частотами процессора, кроме того, помимо частоты изменялось и напряжение, подаваемое на процессор. График работы EIST для памятного многим процессора Pentium M можно посмотреть на рисунке ниже.

Как видно, частота процессора наращивалась квантами по 200 Мгц, при этом его TDP изменялось от 6 до 24.5 Ватт.
Для корректной работы SpeedStep необходима поддержка технологии материнской платой (или, точнее, ее BIOS) и операционной системой. Управление режимами потребления осуществляется из BIOS или соответствующего меню настроек ОС. В том, что SpeedStep действительно работает, можно убедиться с помощью утилит, показывающих реальную текущую частоту процессора, например, CPU-Z.
Начиная с Pentium M, в EIST не произошло принципиальных изменений, постоянно идет подстройка под каждое новое поколение процессоров, имеющее свои, отличающиеся показатели рабочего напряжения, собственной частоты и частоты центральной шины FSB. Скажем, процессор Intel Core 2 Duo умеет варьировать свою частоту от 1.6 до 2.8 ГГц с инкрементом в 266 МГц.

Однако не SpeedStep’ом единым осуществляется экономия энергии в процессорах Intel. Применяются и другие технологии, например, Ultra Fine Grained Power Control, позволяющая отключить те модули процессора, которые бездействуют в данный момент. Любопытно, что даже если процессор как таковой нагружен весьма сильно, в нем все равно есть простаивающие участки, которые при желании можно выключить.

Рабочий момент процессора. Зеленым показаны простаивающие участки.

Еще одно средство манипуляции частотой процессора – технология Intel Turbo Boost. Принцип ее работы прямо противоположен SpeedStep: частота процессора не уменьшается, а увеличивается сверх штатных частот в пределах его возможностей, которые указываются в спецификации. Каждый процессор, поддерживающий Turbo Boost, маркируется примерно следующей записью: 7/7/9/10, где через черточку указаны количество максимальных порций инкремента (для процессоров Sandy Bridge, например, инкремент составляет 100 МГц), которые возможно прибавить при работающих всех четырех ядрах, трех двух и одном соответственно. Таким образом, если базовая частота процессора составляет 2500 МГц, то максимальная с учетом Turbo Boost будет равняться 2500 + (10 × 100) = 2500 + 1000 = 3500 МГц.

Управление в BIOS функциями SpeedStep и Turbo Boost

На первый взгляд Turbo Boost не выглядит системой энергосбережения, но на самом деле она таковой как раз является, поскольку прирост потребления за счет повышения частоты зачастую с запасом компенсируется уменьшением времени выполнения задачи.

Еще один важный фронт борьбы с лишними калориями ваттами – уменьшение общего потребления процессора. На этом пути также сделаны значительные успехи. В статье, посвященной тепловыделению была приведена хорошая табличка, из которой видно, что процессоры Intel, пройдя максимум прожорливости в районе Prescott, с тех пор существенно понизили свой TDP даже в абсолютных значениях, не говоря уже о пересчете относительно гигагерцо-ядер.

Уменьшение техпроцесса + оптимизация микроархитектуры = энергоэффективность

Новой вехой на пути к светлому сберегающему будущему станет очередная процессорная микроархитектура Intel Haswell, которую мы увидим воплощенной в кремнии в 2013 году. Линейка процессоров Haswell будет состоять, как обычно, из десктопной и мобильной версии, но к ним еще добавится специальный вариант для ультрабуков (с индексом U). Новые процессора для PC и ноутбуков потребляют на 20% меньше по сравнению с семейством Sandy Bridge. Особого интереса заслуживает Haswell U, который представляет собой одночиповое решение с интегрированным контроллером ввода-вывода и регулятором напряжения на борту, что позволит точнее и быстрее этим напряжением управлять. Intel особо подчеркивает, что в режиме сна (с закрытой крышкой ультрабука) он потребляет в 20 раз меньше энергии, чем предшественники.

Как мы видим, с каждым новым поколением процессора Intel вбирают в себя все больше сторонних элементов. С точки зрения энергоэффективности это, несомненно, благо, поскольку сокращает общие издержки. Что мы будем оптимизировать, когда процессор дойдет до предельно малого технологического процесса и соберет внутри себя всю электронику материнской платы? Наверняка, какие-то варианты останутся даже и в этом случае.