Комп’ютери Технології Cool’n’Quiet та EIST
Огляд технологій енергозбереження, які застосовуються у ноутбуках. Дізнайтеся, як досягти оптимального балансу продуктивності та автономності.
Енергозберігаючі технології використовуються в ноутбуках вже багато років. Чи може процесор вважатися по-справжньому мобільним, якщо він навіть при повному байдикування споживає електроенергії більше, ніж всі інші працюючі компоненти ноутбука? Наприклад, за продуктивністю Celeron M майже не поступається Pentium M, тепловиділення під навантаженням у нього навіть трохи нижче. Однак Intel відносить перший процесор до дешевої "трисотої" серії, а другий - до елітарної "семисотої": ноутбук на Pentium M може прожити, живлячись від батарей, удвічі-втричі довше.
Десктопним процесорам, зрозуміло, економити електроенергію не потрібно. Чудово, звичайно, якщо комп'ютер проживе, харчуючись від ДБЖ, не сім хвилин, а десять і якщо рахунок за електроенергію в офісі наприкінці місяця виявиться на 500 рублів меншим, проте всерйоз говорити про те, щоб споживання зайвих 50 Вт енергії якось давалося взнаки на споживчих якостях комп'ютера не доводиться. Проблема, мабуть, лише в тому, що ці зайві 50 Вт у вигляді тепла доводиться кудись подіти системі охолодження процесора. І хоча створено чимало шедеврів інженерного мистецтва, здатних майстерно впоратися з цим завданням, зберігши невисокий рівень шуму, все ж таки типовому кулеру за $5–8 це завдання, на жаль, не під силу. Звідси високий шум і температури, близькі до гранично допустимих температур експлуатації кристала.
Теплова розсіювана потужність сучасних топових процесорів давно стала притчею в язицех, але насправді, як не парадоксально, в порівнянні з дешевшими побратимами вони економічніші, оскільки здатніпрацювати на тих же тактових частотах з меншою напругою живлення і, відповідно, меншим енергоспоживанням (це, власне, і дозволяє процесору працювати на вищій частоті, залишаючись в розумних межах за напругою і тепловиділенням). Тобто, якщо процесор «кращий», то він найкращий за всіма показниками — і продуктивності, і економічності. Але чи це відчуває на собі споживач?
Нічого радикально нового в технологіях AMD Cool’n’Quiet та Enhanced Intel SpeedStep (EIST) немає – це версії мобільних технологій PowerNow! та SpeedStep відповідно. Основа обох - динамічна зміна на льоту коефіцієнта множення частоти процесора (system bus ratio) і напруги, що його живить. Виробник визначає для своїх процесорів кілька так званих робочих точок (Power States, скорочено P-States). Кожній такій точці відповідає певна робоча напруга і коефіцієнт множення [Для процесорів архітектури K8 слід ще додати сюди і коефіцієнт дільника тактової частоти пам'яті. Справа в тому, що ця частота виходить розподілом тактової частоти процесора на деякий коефіцієнт. Відповідно, щоб зберегти задану частоту пам'яті, при зміні множника процесора змінюється і цей коефіцієнт поділу (і якщо використовується пам'ять стандарту PC2100 або PC2700 - то частота функціонування пам'яті все-таки змінюється)]; та за допомогою спеціальних команд операційна система може перемикати процесор між цими точками. Наприклад, Athlon 64 3800+ таких точок п'ять (див. табл. 1). "Максимальна" точка (Max P-State) відповідає звичайному "повношвидкісному" режиму роботи процесора: тактова частота - 2,40 ГГц, напруга живлення - 1,5 В; споживаний струм - до 57,4 А і, головне, тепловиділення аж до 89 Вт. Саме в цьомурежим працює система в момент запуску. Але якщо завантаження процесора невелика, операційна система може переключитися в один з «енергозберігаючих» станів, поступово знижуючи коефіцієнт множення процесора і напруга живлення аж до мінімального Min P-State, в якому частота процесора складе 1,00 ГГц (200 x 5), напруга на ядрі – 1,10 В, енергоспоживання – не більше 22 Вт. А при виникненні ресурсомісткої задачі миттєво відновити швидкодію процесора до максимальних величин. У секунду таких перемикань між різними режимами може бути до сотні, причому для програм користувача все це відбувається зовсім непомітно.
Мінімальна робоча точка у переважної більшості десктопних процесорів AMD одна й та сама: 1,00 ГГц, живлення 1,10 В, тепловиділення - 22 Вт. Винятків із цього правила два. По-перше, у дуже старих Athlon 64 степінгу C0 для Socket 754 Min P-State був більш низькочастотним (800 МГц), а тепловиділення – більшим (35 Вт). А по-друге, у Athlon 64 FX для Socket 939 мінімальна робоча точка – 1,2 ГГц, а тепловиділення – 25 Вт. Athlon 64 FX для Socket 940 та процесори Opteron перших степінгів взагалі мають по одній робочій точці (тобто Cool'n'Quiet не підтримують). Втім, якщо відкинути ці екзотичні варіанти, вийде, що тепловиділення будь-якого процесора AMD K8 у режимі максимального енергозбереження навіть трохи менше, ніж у суто мобільних Celeron M. А продуктивність — свідомо вища, ніж, наприклад, популярний колись Pentium III 1000EB.
У Intel технологію EIST підтримують всі процесори на основі ядра Prescott степінгів старше E0 з шиною 800 МГц (зокрема, її підтримують всі процесори сімейства 6xx, що нещодавно вийшли). Мінімальна робоча точка у всіх цих процесорів - 2,80ГГц. Правда, Pentium 4 доступний ще один механізм зниження тепловиділення процесора - пропуск деяких тактів (троттлінг), але це скоріше аварійний засіб захисту, ніж реальний механізм зменшення тепловиділення процесора.
Пара слів про те, що потрібно зробити, щоб активізувати підтримку Cool'n'Quiet або Enhanced Intel SpeedStep. Все необхідне для цього програмне забезпечення вже включене до другого сервіс-паку для Windows XP; якщо ви використовуєте старі операційні системи, за необхідними драйверами доведеться заглянути на сайт виробника (підтримуються майже всі версії Windows). Для підтримки Cool’n’Quiet у Linux потрібно включити в ядрі модуль powernow-k8 (CONFIG_X86_POWERNOW_K8, входить до складу Linux Kernel 2.4 та 2.6) або аналогічний модуль підтримки SpeedStep. Крім операційної системи, технологія повинна підтримуватися чіпсетом і BIOS материнської плати. З першим проблем не виникає (відомі мені чіпсети все необхідне підтримують), а ось з BIOS спочатку у деяких материнських плат були певні проблеми. Тож майте на увазі: якщо Cool'n'Quiet або EIST на вашій материнській платі працюють якось «неправильно» — має сенс заглянути на сайт виробника та подивитися прошивку, де всі ці проблеми вже виправлені. Крім того, як правило, Cool'n'Quiet в BIOS спочатку вимкнена і її необхідно явно включити. Але і це ще не все: у Windows після цього необхідно встановити в діалозі "Управління електроживленням" як схему енергоспоживання рядок "Minimal power management" (енергозберігаючий режим, див. скріншот). Перевірити, що «все запрацювало», можна за допомогою стандартних програм, що вміють вимірювати тактову частоту процесора (типу CPU-Z) на льоту, або спеціалізованими програмами (як,наприклад, AMD Cool'n'Quiet Dashboard (див. скріншот).
Слід також розуміти, що власними силами технології Cool'n'Quiet і EIST ніяк не зменшують рівень шуму, що видається системним блоком. Вони просто знижують тепловиділення процесора (що теж само по собі не погано — хоча б тому, що продовжується термін експлуатації кристала), але знизити оберти вентилятора, що охолоджує радіатор, повинен «хтось сторонній» — сам кулер або материнська плата. Боксовий кулер AMD вміє автоматично регулювати свої оберти в залежності від температури повітряного потоку, що набігає, але це швидше виняток, ніж правило (до того ж таке рішення не дуже вдало і вже пройдено компанією Intel — температура набігаючого на кулер повітря не завжди однозначно визначається теплом, яке виділяє процесор), - майже всі топові кулери, що випускаються зараз, розраховані переважно на ручне регулювання оборотів вентилятора (або і без неї працюють дуже тихо). На щастя, багато сучасних материнських плат навчилися регулювати обороти вентиляторів залежно від показань різноманітних термодатчиків (аж до можливості вказати для будь-якого з п'яти (!) вентиляторів, яку напругу і при яких температурах на кожен з них слід подавати — подібна система (muGuru) є на останніх платах ABIT типу AV8). Як правило, ці рішення нестандартні, але, наприклад, плати на основі свіжих чіпсетів Intel вже мають стандартні чотириконтактні конектори, один з контактів в яких спеціально призначений для більш ефективного управління швидкістю обертання кулера. Просто не забудьте увімкнути відповідну функцію в BIOS Setup.
З минулих нещодавно випробувань кулерів у нас залишалися топовий Cooler Master Hyper 6 і процесор Athlon 64 3500+тестування компанією «Нікс»] (130-нм), так що ми вирішили перевірити дані AMD на практиці. Під час попередніх випробувань ми переконалися, що оцінка теплового опору даної системи процесор-кулер становить приблизно 0,31 °C/Вт. Тому для початку ми відключили технологію Cool'n'Quiet і вручну перебрали кілька можливих робочих точок процесора (включаючи точки, що відповідають розігнаному процесору). Тестування проводилося на відкритому повітрі (температура +25 ° C), тепловий опір кулера нам було відомо, так що виявилося нескладним перерахувати отримані цифри для оцінки тепловиділення процесора під максимальним навантаженням. Результати випробувань зведено до таблиці 2.
Якщо мова зайшла про розгін, буде не зайвим згадати про роботу Cool'n'Quiet в нестандартних режимах функціонування процесора. По-перше, при включенні C'n'Q відразу ж втрачається можливість ручного вибору множника процесора. Тобто в BIOS Setup його, як і раніше, можна вказувати будь-яким (Нагадаємо, що процесори AMD K8 дозволяють використовувати будь-який множник, що не перевищує номінального), але це буде проігноровано. Обмежити максимальну тактову частоту процесора і максимальний коефіцієнт множення таким чином не можна - допустимо лише розгін процесора системною шиною. Подібний розгін пропорційно збільшує тактові частоти для всіх робочих точок процесора, тобто доводиться стежити за стабільністю його роботи не тільки при максимальному навантаженні, але й у всіх проміжних робочих точках. А ось зміна напруги на ядрі процесора відпрацьовується абсолютно коректно: якщо збільшити його, скажімо, на 0,1 В, то на десяту частку вольта збільшиться напруга у всіх робочих точках процесора. Тобто, наприклад, для подальшого зменшення енергоспоживанняможна спільно з включенням C'n'Q злегка знизити напругу живлення процесор. Але в будь-якому разі горезвісної «несумісності C'n'Q і нестандартних режимів» мені помітити не вдалося — процесор успішно працював на частоті 2,53 ГГц незалежно від того, чи включалася чи вимикалася ця технологія. Будь-яких відхилень у нормальній роботі C'n'Q при розгоні теж не було.
Залишається перевірити останнє — чи активація Cool'n'Quiet впливає на продуктивність комп'ютера. Знаючи, що в деяких ситуаціях включення цієї технології може призводити до майже півтораразового зниження продуктивності (Enhanced SpeedStep у мобільних процесорах Intel у деяких тестах дає падіння продуктивності до 10 відсотків), я сумлінно спробував цю ситуацію відтворити. Але чи то я так і не знайшов унікальну комбінацію умов, за яких виникає даний ефект, чи то драйвери і BIOS з тих пір встигли остаточно налагодити та виловлювати всі помилки, — за всіма моїми вимірами, незалежно від того, наскільки ресурсомісткі програми використовувалися і якого вони були типу, втрати продуктивності від включення C'n'Q виходили мікроскопічні, в рамках похибки виміру (Строго кажучи, в документації до драйвера для процесора Athlon 64 перераховано кілька ситуацій, при яких драйвер не може відразу відновити повну продуктивність системи. Але всі відповідні посилання ведуть в основу знань Microsoft, так що, схоже, що процесор тут ні до чого).