Správa napájania X86 Základy na úrovni tranzistorov Celá elektronika
Pred zvážením správy napájania najnovších zabudovaných procesorov x86, ktoré spotrebujú okolo 6 až 60 W, je dôležité poznať základné limity kremíkovej logiky. Súčasné systémy riadenia spotreby by mali zabezpečiť, aby tieto limity neboli prekročené, a zabezpečiť vysokú úroveň spoľahlivosti a funkčnosti za všetkých prevádzkových podmienok. V nasledujúcom článku sa preto článok primárne venuje týmto ovplyvňujúcim faktorom pre procesory x86, aj keď existuje veľa ďalších faktorov.
Dodržiavajte prevádzkové limity
Rohové údaje
Zabudované procesory ako Epyc a Ryzen od AMD s architektúrou x86 a 14 nm technológiou FinFET sú navrhnuté pre optimálny výpočtový výkon, ale vyžadujú sofistikovanú správu napájania. V tejto prvej časti článok popisuje základy nevyhnutnosti dobrého riadenia výkonu na úrovni tranzistorov: vplyv pracovného cyklu na spotrebu energie, zvodové prúdy, odchýlky procesora a pracovné zaťaženie. Posledná zmienka je obzvlášť dôležitá, pretože súčasné vstavané procesory integrujú mnoho funkcií, ktoré predtým prevzali externé komponenty - najlepším príkladom je GPU.
Hodiny procesora sú pravdepodobne najzrejmejším faktorom obmedzujúcim výkon. Aj koncoví zákazníci sú oboznámení so vzťahom medzi výkonom a frekvenciou hodín. Pracovný cyklus definuje, ako rýchlo sa prepne logika a ako rýchlo sa dajú vykonať príkazy. Výkon dvoch procesorov, ktoré pracujú s rovnakou frekvenciou hodín, ale s odlišnou architektúrou, nebudú rovnaké. S obidvomi sa však rýchlosť vykonávania zvyšuje. Možnosti zvýšenia pracovnej rýchlosti - teda frekvencie procesora - sú však obmedzené niekoľkými faktormi. Najdôležitejšie sú napätie a prúd.
Každý, kto je oboznámený s tranzistorovou technológiou, vie, že napätie má mimoriadne dôležitý vplyv na frekvenciu. V tranzistore vyžadujú rýchlejšie spínacie procesy vyššie napätie, aby bolo možné prekonať odporové a kapacitné prvky tranzistora. Vyššie napätie však vedie k zvýšeným účinkom starnutia. Výsledkom je, že pri aplikácii napätia existujú limity, pokiaľ si chcete zaistiť dlhú životnosť. Rýchlejšie spínacie procesy v tranzistore tiež generujú vyššie prúdy, pretože kapacitné prvky sú nabíjané a vybíjané silnejšie. Aj keď môže byť prúd jednotlivých tranzistorov veľmi malý, súčasné procesory môžu mať miliardy tranzistorov, takže veľa malých prúdov sa rýchlo sčíta. Matrica procesora je zvyčajne umiestnená v balíku. Aj tu existujú limity, koľko energie je možné efektívne dodať do matrice. Každý digitálny integrovaný obvod preto musí mať ideálnu rovnováhu napätia a prúdu tranzistora, aby dosiahol svoju maximálnu použiteľnú frekvenciu hodín.
Pracovný cyklus sa rovná spotrebe energie
Kombinácia Ohmovho a Jouleho zákona tiež učí, že napätie a prúd generujú stratu energie a že oba parametre majú priamy vplyv na spotrebu energie. Preto v skutočnosti je obmedzenie pracovného cyklu vlastne obmedzením spotreby energie alebo spotreby energie. Rýchlejšie spínacie procesy v tranzistore vedú k vyššiemu toku prúdu a môžu vyžadovať aj vyššie napätia. Oba zvyšujú spotrebu energie. Pre všetky integrované obvody je preto definovaná maximálna spotreba energie, aby vývojári mohli navrhovať systémy podľa požiadaviek na napájanie a chladenie. Obmedzenie spotreby energie je preto často najdôležitejším obmedzujúcim faktorom pre výkon, najmä pre procesory, ktoré sú na dolnej hranici spotreby energie - to znamená, že sú navrhnuté tak, aby boli obzvlášť energeticky úsporné. Dnešné procesory založené na architektúre x86 sú preto zvyčajne viac obmedzené svojou spotrebou energie ako maximálnou pracovnou rýchlosťou, keď sú veľmi využívané.
Teplota matrice je ďalším faktorom, ktorý je potrebné vziať do úvahy, aj keď nie je úplne zrejmý. Pri prevádzke procesora sa spotrebovaná elektrická energia premieňa na teplo. Teplo však ovplyvňuje prevádzkové vlastnosti kremíkového tranzistora, ako aj rýchlosť difúzie dopingových prvkov v križovatkách tranzistorov. Nakoniec difúzia zmení elektrické vlastnosti tranzistora, kým prestane správne fungovať a nedosiahne koniec svojej životnosti. Pre očakávanú životnosť je preto rozhodujúce obmedzenie teploty pri prechodoch v procesore. To je dôvod, prečo výrobcovia procesorov definujú aj maximálne teploty matrice. Dodržiavanie týchto teplotných limitov je jednou z najdôležitejších úloh správy napájania v procesore.
Únikové prúdy
Obrázok 1: Podiel zvodového prúdu pre zabudovaný procesor AMD vo výrobnom procese 14 nm FinFET. AMD
Ďalším základným princípom kremíkových tranzistorov je výskyt unikajúcich prúdov v križovatkách a na substráte. Úroveň svodového prúdu v procesore určitého typu procesu sa môže meniť v závislosti od použitého napätia a teploty a pri súčasných výkonných procesoroch môže dosiahnuť extrémne vysoké hodnoty. Je to tak preto, lebo rovnaké faktory, vďaka ktorým sa tranzistor prepína rýchlejšie, t. J. Umožňujú vyššiu frekvenciu hodín, tiež zvyšujú zvodové prúdy. Tieto zvodové prúdy generujú ďalší stratový výkon, ktorý sa musí pripočítať k spotrebe energie procesora. Strata výkonu v dôsledku zvodových prúdov tak tiež znižuje efektívny výkon dostupný pre procesor, t. J. Výkon, ktorý sa používa pre pracovnú časť tranzistorového obvodu. Obrázok 1 zobrazuje podiel zvodových prúdov na celkovej spotrebe energie ako funkciu prúdu pre procesor AMD s 14 nm tranzistormi FinFET.
Obrázok 2: Podiel straty energie v dôsledku zvodových prúdov ako funkcia teploty pre procesor x86 od spoločnosti AMD v 14 nm technológii FinFET. AMD
Strata výkonu v dôsledku zvodových prúdov sa exponenciálne zvyšuje s teplotou matrice. V integrovanom obvode sa mnohonásobne zvyšuje nad prevádzkovú teplotu. To znamená, že spotreba energie procesora sa zvyšuje automaticky so zvyšovaním teploty, aj keď zostávajúce parametre, ako sú frekvencia hodín, napätie a zaťaženie spracovania, zostávajú rovnaké. Výrobcovia procesorov preto musia buď počítať s dostatočnou rezervou na zvýšenie spotreby energie pri zvýšení teploty, alebo použiť schému riadenia spotreby energie závislú od teploty. Obrázok 2 zobrazuje stratu energie v dôsledku zvodových prúdov ako funkciu teploty pre vyššie uvedenú rodinu procesorov AMD.
Odchýlky procesora
Proces kremíkovej fotolitografie na výrobu polovodičov má inherentné nedokonalosti, ktoré sa prejavujú ako odchýlky v dizajne tranzistorov, a tým ovplyvňujú ich prevádzkové vlastnosti. Takéto odchýlky sa prejavia nielen pri rôznych dávkach kremíkových doštičiek, ale aj pri jednej oblátke. Môžu viesť k tomu, že procesor zomrie z jednej oblasti oblátky, ktorá bude vyžadovať vyššie napätie pre rovnakú frekvenciu ako jej susedia alebo bude mať vyššie zvodové prúdy. Obrázok 1 tiež celkom dobre ilustruje tieto odchýlky zvodových prúdov. A keďže elektrická energia je kľúčovým faktorom pri určovaní dosiahnuteľného výkonu s určitým procesorom, vedie to prirodzene aj k fluktuáciám výkonu.
Výrobcovia procesorov preto kategorizujú raznice do rôznych skupín a priraďujú ich k rôznym modelom procesorov s rôznymi špecifikáciami (napr. 25 W a 35 W), aby sa maximalizovala výťažnosť. Rozsah týchto odchýlok určuje výrobca pre každý model, pričom pri cenovo efektívnejších modeloch sa všeobecne môže vyžadovať vyššia odchýlka. Tieto variabilné odchýlky musia byť tiež schopné zvládnuť súčasné riešenia správy napájania.
Rôzne pracovné zaťaženie, rôzne energetické požiadavky
GPU na palube
Integrácia jednotky grafického spracovania (GPU) je najdôležitejšia, pretože ide o veľmi veľké vyhradené výpočtové jadro. Grafický procesor v niektorých procesoroch x86 môže obsahovať viac tranzistorov, ako ponúkajú jadrá CPU, pretože aplikácie sú čoraz náročnejšie na grafiku. Platí to najmä pre spoločnosti ako AMD, ktoré sa vo svojich mikroprocesoroch spoliehajú konkrétne na veľmi výkonné integrované grafické jednotky. Zmiešané pracovné zaťaženia, ktoré súčasne vykonávajú kombináciu pokynov CPU a GPU, môžu zvýšiť tento efekt rozdielnej spotreby energie.
Obrázok 3: Spotreba energie CPU s dvoma rôznymi pracovnými záťažami obmedzenými na CPU (AMD Embedded RX-421BD-SoC, Prime 95 v29.3 b1 Large FFT, Microsoft Sysinternals CPU Stress v1.0), Prime 95 simuluje tu Extrémny prípad. AMD
Obrázok 3 zobrazuje príklad. Tu sa spotreba energie CPU s dvoma rôznymi pracovnými záťažami obmedzenými na CPU merala na náhodne vybranom AMD Embedded RX-421BD SoC na základe architektúry rýpadla. Obidve pracovné zaťaženia majú jedno jadro procesora, ktoré je plne využité pri zachovaní maximálnej frekvencie hodín. Použil sa na to program Prime 95, pretože tento program simuluje extrémny prípad. Preto sa často označuje ako „termálny vírus“. Hodnoty spotreby energie pre ďalšie pracovné zaťaženie sa normalizovali na túto úroveň.
Hodnoty na obrázku 3 ukazujú, že spotreba energie jadra CPU bola iba okolo 57 percent v porovnaní s Prime 95 s menšou spotrebou energie. Pri extrapolácii na viac fyzických jadier je ľahké vidieť, že rozdiely v spotrebe energie môžu byť veľmi veľké v závislosti od pracovného zaťaženia. V tomto prípade bol procesor schopný udržať maximálny takt 3,5 GHz na aktívnom jadre bez dosiahnutia rozsahu výkonu alebo súčasného škrtenia, takže pracovnú rýchlosť nebolo treba znižovať.
Obrázok 4: Porovnanie jednoduchého 3D pracovného zaťaženia z Microsoft Direct X 9 SDK (Blobs) s Furmark, externým pracovným zaťažením GPU. AMD
Výkonové požiadavky na pracovné zaťaženia GPU sú podobné. Obrázok 4 porovnáva jednoduché 3D pracovné zaťaženie z Microsoft DirectX 9 SDK („Blobs“) s Furmark, extrémnym pracovným zaťažením GPU, ktoré tiež patrí do triedy termálnych vírusov. Frekvencia GPU bola umelo obmedzená na 720 MHz, aby sa zabránilo obmedzeniu napájania a aby sa ukázal plný možný rozdiel v spotrebe energie.
Údaje o spotrebe energie GPU ukazujú, že aplikácia Blobs spotrebuje iba 82 percent energie spoločnosti Furmark. Je tiež potrebné poznamenať, že zvýšenie rozptylu energie so zvyšujúcim sa pracovným zaťažením tiež zvyšuje teplotu v danom prostredí systému. A ako už bolo uvedené vyššie, vyššia teplota vedie tiež k ešte vyššej strate výkonu v dôsledku zvodových prúdov, takže rozdiel v požiadavke na dodatočný výkon je ešte väčší. Ak sa má udržiavať iba zvýšený výkon, ktorý je spôsobený výlučne pracovným zaťažením, teplota matrice by musela zostať konštantná. Toto sa v tomto teste neurobilo. Odchýlka však bola iba niekoľko stupňov, takže výsledky neboli významne ovplyvnené.
Tento článok je založený na dokumentoch spoločnosti AMD.