X86 управување со енергија Основи на ниво на транзистор Цела електроника
Пред да размислите за управување со напојувањето на најновите вградени x86 процесори, кои трошат околу 6 до 60 W, важно е да се знаат основните граници на силициумската логика. Тековните системи за управување со електрична енергија треба да осигураат дека овие граници не се надминати и да обезбедат високо ниво на сигурност и функционалност под сите услови на работа. Во следното, написот првенствено се занимава со овие фактори на влијание за x86 процесорите, дури и ако има многу други фактори.
Усогласете се со ограничувањата за работа
Податоци за агол
Вградените процесори како Epyc и Ryzen од AMD со x86 архитектура и 14 nm FinFET технологија се дизајнирани за оптимална компјутерска моќ, но бараат софистицирано управување со напојувањето. Во овој прв дел, написот ги опишува основите за неопходноста од добро управување со енергијата на ниво на транзистор: влијанието на работниот циклус врз потрошувачката на енергија, струите на истекување, варијансите на процесорот и обемот на работа. Последново е особено важно, бидејќи тековните вградени процесори интегрираат многу функции што претходно беа преземени од надворешни компоненти - најдобар пример за ова е графичкиот процесор.
Часовникот на процесорот е веројатно најочигледниот фактор што ги ограничува перформансите. Дури и крајните клиенти се запознати со односот помеѓу перформансите и брзината на часовникот. Работниот циклус дефинира колку брзо се менува логиката и колку брзо може да се извршат командите. Перформансите на два процесори кои работат со иста брзина на часовникот, но со различна архитектура нема да бидат исти. Како и да е, брзината на извршување се зголемува и со двајцата. Сепак, можностите за зголемување на стапката на работа - т.е. фреквенцијата на процесорот - се ограничени од повеќе фактори. Најважни се напонот и струјата.
Секој што е запознаен со технологијата на транзистор знае дека напонот има исклучително важно влијание врз фреквенцијата. Во транзистор, побрзите процеси на преклопување бараат поголем напон за да можат да се надминат отпорните и капацитивни елементи на транзисторот. Сепак, поголемите напони доведуваат до зголемени ефекти на стареење. Како резултат, има ограничувања на примената на напон ако некој сака да обезбеди долг работен век. Побрзите процеси на вклучување во транзистор, исто така, генерираат поголеми струи, бидејќи капацитивните елементи се полнат и се испуштаат посилно. Дури и ако индивидуалната струја на транзистор може да биде многу мала, тековните процесори сè уште можат да имаат неколку милијарди транзистори, така што многу мали струи брзо се собираат. Умирачот на процесорот обично се наоѓа во пакет. И овде има ограничувања колку енергија може ефикасно да се снабди до матрицата. Секој дигитален ИЦ мора да има идеална рамнотежа на напон и струја на транзистор за да ја постигне својата максимална употреблива брзина на часовникот.
Работен циклус е еднаква на потрошувачката на енергија
Комбинацијата на законот Ом и ouул исто така учи дека напонот и струјата создаваат загуба на енергија и дека двата параметри имаат директно влијание врз потрошувачката на енергија. Затоа, во реалноста, ограничувањето на работниот циклус е всушност ограничување на потрошувачката на енергија или потрошувачката на енергија. Побрзите процеси на вклучување во транзистор доведуваат до поголем проток на струја и исто така може да бараат поголеми напони. Двете ја зголемуваат потрошувачката на енергија. Затоа, дефинирана е максимална потрошувачка на енергија за сите интегрирани кола, така што програмерите можат да ги дизајнираат системите според барањата за напојување и ладење. Ограничувањето на потрошувачката на енергија е често најкритичен ограничувачки фактор за перформансите, особено за процесорите што се наоѓаат на долниот крај на потрошувачката на енергија - т.е. тие се дизајнирани да штедат особено на енергијата. Денешните процесори засновани на архитектурата x86 затоа се обично поограничени од нивната потрошувачка на енергија отколку од нивната максимална стапка на работа кога се многу користени.
Температурата на умирање е уште еден фактор што треба да се разгледа, иако не и најочигледен. Во работата на процесорот, потрошената електрична енергија се претвора во топлина. Сепак, топлината влијае и врз работните својства на силиконскиот транзистор и врз стапката на дифузија на допинг елементите на крстосниците на транзисторот. На крајот, дифузијата ги менува електричните својства на транзисторот се додека не работи повеќе како што треба и не го достигне крајот на својот век на траење. Ограничувањето на температурата при транзициите во процесорот е клучно за очекуваниот век на траење. Ова е причината зошто производителите на процесори дефинираат и максимални температури на умирање. Усогласеноста со овие ограничувања на температурата е една од најважните задачи на управување со напојувањето во процесорот.
Струи на истекување
Слика 1: Удел на струја на истекување за вграден AMD процесор во процесот на производство на FinFET со 14 nm. AMD
Друг основен принцип на силиконски транзистори е појава на струи на истекување на крстосниците и на подлогата. Нивото на струја на истекување во процесор од одреден тип на процес може да варира во зависност од применетиот напон и температура и може да достигне исклучително високи вредности со тековните процесори со високи перформанси. Ова е затоа што истите фактори што го прават прекинувачот на транзисторот побрз - т.е. овозможуваат поголема брзина на часовникот - исто така ги зголемуваат струите на истекување. Овие струи на истекување генерираат дополнителна дисипација на моќноста што мора да се додаде на потрошувачката на енергија на процесорот. Загубата на моќност како резултат на струи на истекување, исто така ја намалува ефективната моќност што ја има процесорот, т.е. моќноста што се користи за работниот дел од колото на транзисторот. Слика 1 го покажува процентот на струи на истекување во вкупната потрошувачка на енергија како функција на струјата за AMD процесор со 14 nm FinFET транзистори.
Слика 2: Пропорција на загуба на енергија како резултат на струи на истекување како функција на температура за x86 процесор од AMD во технологија FinFET со 14 nm. AMD
Загубата на струја како резултат на струи на истекување се зголемува експоненцијално со температурата на умирањето. Во интегрално коло, тоа се зголемува многу пати над работната температура. Ова значи дека потрошувачката на енергија на процесорот се зголемува автоматски со зголемувањето на температурата, иако останатите параметри како што се брзината на часовникот, напонот и оптоварувањето на обработката остануваат исти. Производителите на процесори мора или да дозволат доволно слобода за зголемување на потрошувачката на енергија кога температурата се зголемува, или користат шема за управување со моќност зависна од температурата. Слика 2 ја покажува загубата на моќност како резултат на струи на истекување како функција на температурата за семејството на процесори AMD споменати погоре.
Варијанти на процесорот
Процесот на силиконска фотолитографија за производство на полупроводници има својствени несовршености кои се појавуваат како варијанти во дизајнот на транзистор и со тоа влијаат на нивните карактеристики на работење. Ваквите варијанти се појавуваат не само со различни групи силиконски нафора, туку и на една единствена обланда. Тие можат да резултираат во умирање на процесор од една област на нафора, која бара поголем напон за иста фреквенција од нејзините соседи или има поголема струја на истекување. Слика 1 исто така доста добро ги илустрира овие варијанти во струите на истекување. И бидејќи електричната енергија е клучен фактор за одредување на достижни перформанси со одреден процесор, ова природно резултира и со флуктуации во перформансите.
Производителите на процесори ги категоризираат матриците во различни групи и ги доделуваат на различни модели на процесори со различни спецификации (на пр. 25 W и 35 W) со цел да се зголеми приносот. Производителот го одредува обемот на овие варијанти за секој модел, при што на моделите со пониски трошоци генерално им е дозволено да имаат поголеми варијанти. Овие варијабилни варијанти, исто така, мора да бидат во можност да се справат со сегашните решенија за управување со напојувањето.
Различен обем на работа, различни енергетски побарувања
GPU на бродот
Интеграцијата на единицата за графичка обработка (GPU) е најважна затоа што е многу големо, посветено компјутерско јадро. Графичкиот процесор во некои x86 процесори може да содржи повеќе транзистори отколку што нудат процесорите, бидејќи апликациите стануваат сè поинтензивни со графика. Ова е особено точно за компании како AMD, кои се потпираат конкретно на многу моќни, интегрирани графички единици во нивните микропроцесори. Мешаните оптоварувања што извршуваат комбинација на инструкции од процесорот и графичкиот процесор истовремено може да ја влошат оваа разлика во потрошувачката на енергија.
Слика 3: Потрошувачка на енергија на процесорот со два различни оптоварувања ограничена на процесорот (AMD Embedded RX-421BD-SoC, Prime 95 v29.3 b1 Large FFT, Microsoft Sysinternals CPU Stress v1.0), Prime 95 го симулира овде Екстремен случај. AMD
Слика 3 покажува пример за ова. Тука, потрошувачката на енергија на процесорот со два различни оптоварувања ограничена на процесорот е измерена на случајно избраниот AMD Embedded RX-421BD SoC заснован на архитектурата на Багер. Двете оптоварувања имаат единствено јадро на процесорот целосно искористено додека се одржува максималната фреквенција на часовникот. Prime 95 беше искористен за ова затоа што оваа програма симулира екстремен случај. Затоа често се нарекува „термички вирус“. Вредностите на потрошувачката на енергија за другиот обем на работа беа нормализирани на ова ниво.
Вредностите на Слика 3 покажуваат дека потрошувачката на енергија на јадрото на процесорот била само околу 57 проценти во споредба со Prime 95 со помалку обемен работен напор. Екстраполирајќи на повеќе физички јадра, лесно е да се види дека разликите во потрошувачката на енергија можат да бидат многу големи во зависност од обемот на работа. Во овој случај, процесорот можеше да ја задржи максималната брзина на часовникот од 3,5 GHz на активното јадро, без да достигне опсег на моќност или струја на гас, така што стапката на работа не мораше да се намалува.
Слика 4: Споредба на едноставен 3D обем на работа од Microsoft Direct X 9 SDK (блокови) со Furmark, надворешен обем на работа на GPU. AMD
Барањата за изведба на обемот на работа на графичкиот процесор се слични. Слика 4 споредува едноставен 3D обем на работа од Microsoft DirectX 9 SDK („Дупки“) со Furmark, екстремен обем на работа на графичкиот процесор, кој исто така спаѓа во класата на термални вируси. Фреквенцијата на графичкиот процесор беше вештачки ограничена на 720 MHz за да се избегне ограничување на напојувањето и да се покаже целосната можна разлика во потрошувачката на енергија.
Податоците за потрошувачката на енергија на графичкиот процесор покажуваат дека апликацијата Blobs троши само 82 проценти од енергијата на Furmark. Исто така, треба да се напомене дека зголемувањето на дисипацијата на моќноста со зголемување на обемот на работа ја зголемува и температурата во дадена околина на системот. И, како што веќе беше напишано погоре, повисока температура, исто така, доведува до уште поголема загуба на моќност поради струи на истекување, така што разликата во дополнителното барање за напојување е уште поголема. Ако треба да се одржува само зголемената изведба, што е предизвикана исклучиво од обемот на работа, температурата на умре треба да остане константна. Ова не беше направено на овој тест. Сепак, отстапувањето беше само неколку степени, така што резултатите не беа значително засегнати.
Оваа статија се заснова на документи од AMD.