La escala de frecuencia dinámica (también conocida como aceleración de la CPU ) es una técnica de administración de energía en la arquitectura de la computadora mediante la cual la frecuencia de un microprocesador se puede ajustar automáticamente "sobre la marcha" según las necesidades reales, para conservar energía y reducir la cantidad de calor generado por el chip. El escalado de frecuencia dinámico ayuda a conservar la batería en los dispositivos móviles y reduce el costo de enfriamiento y el ruido en configuraciones de computación silenciosas , o puede ser útil como medida de seguridad para sistemas sobrecalentados (por ejemplo, después de un overclocking deficiente ).
El escalado de frecuencia dinámica casi siempre aparece junto con el escalado de voltaje dinámico , ya que las frecuencias más bajas requieren voltajes más bajos para que el circuito digital produzca resultados correctos. El tema combinado se conoce como escalado dinámico de voltaje y frecuencia ( DVFS ).
La aceleración del procesador también se conoce como " subclocking automático ". El overclocking automático (refuerzo) también es técnicamente una forma de escalado de frecuencia dinámica, pero es relativamente nuevo y, por lo general, no se habla de la aceleración.
Marcha
La potencia dinámica (potencia de conmutación ) disipada por unidad de tiempo por un chip es C · V 2 · A · f , donde C es la capacitancia que se conmuta por ciclo de reloj, V es voltaje , A es el factor de actividad [1] que indica la número medio de eventos de conmutación sufridos por los transistores en el chip (como una cantidad sin unidades) yf es la frecuencia de conmutación. [2]
Por lo tanto, el voltaje es el principal factor determinante del uso de energía y la calefacción. [3] El voltaje requerido para un funcionamiento estable está determinado por la frecuencia a la que se sincroniza el circuito, y puede reducirse si también se reduce la frecuencia. [4] Sin embargo, la potencia dinámica por sí sola no representa la potencia total del chip, ya que también hay potencia estática, que se debe principalmente a varias corrientes de fuga. Debido al consumo de energía estática y al tiempo de ejecución asintótico, se ha demostrado que el consumo de energía de una pieza de software muestra un comportamiento energético convexo, es decir, existe una frecuencia de CPU óptima en la que el consumo de energía es mínimo. [5] La corriente de fuga se ha vuelto cada vez más importante a medida que los tamaños de los transistores se han vuelto más pequeños y los niveles de voltaje de umbral más bajos. Hace una década, la potencia dinámica representaba aproximadamente dos tercios de la potencia total del chip. La pérdida de energía debido a las corrientes de fuga en las CPU y SoC contemporáneas tiende a dominar el consumo total de energía. En el intento de controlar la potencia de fuga, las compuertas metálicas de alta k y la compuerta de energía han sido métodos comunes.
El escalado dinámico de voltaje es otra técnica de conservación de energía relacionada que se usa a menudo junto con el escalado de frecuencia, ya que la frecuencia a la que puede funcionar un chip está relacionada con el voltaje de funcionamiento.
La eficiencia de algunos componentes eléctricos, como los reguladores de voltaje, disminuye al aumentar la temperatura, por lo que el uso de energía puede aumentar con la temperatura. Dado que aumentar el uso de energía puede aumentar la temperatura, los aumentos de voltaje o frecuencia pueden aumentar las demandas de energía del sistema incluso más de lo que indica la fórmula CMOS, y viceversa. [6] [7]
Impacto en el rendimiento
El escalado de frecuencia dinámico reduce la cantidad de instrucciones que un procesador puede emitir en un período de tiempo determinado, lo que reduce el rendimiento. Por lo tanto, generalmente se usa cuando la carga de trabajo no está vinculada a la CPU.
El escalado de frecuencia dinámico por sí solo rara vez vale la pena como forma de conservar la potencia de conmutación. Ahorrar la mayor cantidad posible de energía también requiere escalado dinámico de voltaje, debido al componente V 2 y al hecho de que las CPU modernas están fuertemente optimizadas para estados inactivos de baja potencia. En la mayoría de los casos de voltaje constante, es más eficiente correr brevemente a la velocidad máxima y permanecer en un estado inactivo profundo durante más tiempo (llamado " carrera a inactivo " o sprint computacional), que correr a una velocidad de reloj reducida durante durante mucho tiempo y solo permanecer brevemente en un estado inactivo ligero. Sin embargo, reducir el voltaje junto con la frecuencia del reloj puede cambiar esas compensaciones.
Una técnica relacionada pero opuesta es el overclocking , mediante el cual el rendimiento del procesador aumenta aumentando la frecuencia (dinámica) del procesador más allá de las especificaciones de diseño del fabricante.
Una diferencia importante entre los dos es que en los sistemas de PC modernos, el overclocking se realiza principalmente a través del Front Side Bus (principalmente porque el multiplicador normalmente está bloqueado), pero el escalado de frecuencia dinámica se realiza con el multiplicador . Además, el overclocking suele ser estático, mientras que el escalado de frecuencia dinámico es siempre dinámico. El software a menudo puede incorporar frecuencias overclockeadas en el algoritmo de escalado de frecuencia, si los riesgos de degradación del chip son permitidos.
Implementaciones
La tecnología de aceleración de CPU de Intel , SpeedStep , se utiliza en sus líneas de CPU de escritorio y móviles.
AMD emplea dos tecnologías diferentes de aceleración de CPU. La tecnología Cool'n'Quiet de AMD se utiliza en sus líneas de procesadores de escritorio y servidor. El objetivo de Cool'n'Quiet no es ahorrar batería, ya que no se usa en la línea de procesadores móviles de AMD, sino con el propósito de producir menos calor, lo que a su vez permite que el ventilador del sistema gire a velocidades más lentas. resultando en un funcionamiento más fresco y silencioso, de ahí el nombre de la tecnología. PowerNow de AMD La tecnología de aceleración de la CPU se usa en su línea de procesadores móviles, aunque algunas CPU compatibles como AMD K6-2 + también se pueden encontrar en computadoras de escritorio.
Los procesadores de VIA Technologies utilizan una tecnología llamada LongHaul (PowerSaver), mientras que la versión de Transmeta se llamaba LongRun .
El chip AsAP 1 de 36 procesadores se encuentra entre los primeros chips de procesador de múltiples núcleos que admite una operación de reloj completamente sin restricciones (requiriendo solo que las frecuencias estén por debajo del máximo permitido), incluidos cambios arbitrarios en la frecuencia, arranques y paradas. El chip AsAP 2 de 167 procesadores es el primer chip de procesador de múltiples núcleos que permite a los procesadores individuales realizar cambios totalmente ilimitados en sus propias frecuencias de reloj.
Según las especificaciones de la ACPI , el estado de funcionamiento C0 de una CPU moderna se puede dividir en los llamados estados "P" (estados de rendimiento) que permiten la reducción de la frecuencia de reloj y los estados "T" (estados de aceleración) que desacelere aún más una CPU (pero no la frecuencia de reloj real) insertando señales STPCLK (reloj de parada) y omitiendo así los ciclos de trabajo.
AMD PowerTune y AMD ZeroCore Power son tecnologías de escalado de frecuencia dinámica para GPU .
Ver también
Tecnologías de ahorro de energía:
- AMD Cool'n'Quiet (CPU de escritorio)
- AMD PowerNow! (CPU de computadora portátil)
- AMD PowerTune / AMD PowerPlay (gráficos)
- Intel SpeedStep (CPU)
Tecnologías que mejoran el rendimiento:
- AMD Turbo Core (CPU)
- Intel Turbo Boost (CPU)
Referencias
- ^ K. Moiseev, A. Kolodny y S. Wimer (septiembre de 2008). "Ordenación óptima de las señales según la potencia". Transacciones ACM sobre Automatización del Diseño de Sistemas Electrónicos . 13 (4): 1–17. doi : 10.1145 / 1391962.1391973 .
- ^ Rabaey, JM (1996). Circuitos integrados digitales . Prentice Hall.
- ^ Victoria Zhislina (19 de febrero de 2014). "¿Por qué ha dejado de crecer la frecuencia de la CPU?" . Intel.
- ^ https://www.usenix.org/legacy/events/hotpower/tech/full_papers/LeSueur.pdf
- ^ Karel De Vogeleer; Memmi, Gerard; Jouvelot, Pierre; Coelho, Fabien (2014). "La regla de la convexidad de energía / frecuencia: modelado y validación experimental en dispositivos móviles". arXiv : 1401,4655 [ cs.OH ].
- ^ Mike Chin. "Tarjeta gráfica Asus EN9600GT Silent Edition" . Revisión silenciosa de PC . pag. 5 . Consultado el 21 de abril de 2008 .
- ^ MIke Chin. "80 Plus amplía el podio para Bronce, Plata y Oro" . Revisión silenciosa de PC . Consultado el 21 de abril de 2008 .