Escalado de frecuencia dinámico

El escalado dinámico de frecuencia (también conocido como limitación de la CPU ) es una técnica de administración de energía en la arquitectura de computadoras que permite ajustar automáticamente la frecuencia de un microprocesador en tiempo real, según las necesidades, para ahorrar energía y reducir el calor generado por el chip. El escalado dinámico de frecuencia ayuda a preservar la batería en dispositivos móviles y a disminuir los costos de refrigeración y el ruido en entornos de computación silenciosos , o puede ser útil como medida de seguridad para sistemas sobrecalentados (por ejemplo, después de un overclocking deficiente ).

El escalado dinámico de frecuencia casi siempre se aplica junto con el escalado dinámico de voltaje , ya que las frecuencias más altas requieren voltajes de alimentación más elevados para que el circuito digital produzca resultados correctos. Este tema combinado se conoce como escalado dinámico de voltaje y frecuencia ( DVFS ).

La potencia dinámica ( potencia de conmutación ) disipada por un chip es C·V² ^· A·f , donde C es la capacitancia que se conmuta por ciclo de reloj, V es la tensión , A es el factor de actividad ^{[ 1 ]} que indica el número promedio de eventos de conmutación por ciclo de reloj de los transistores en el chip (como una cantidad adimensional) y f es la frecuencia del reloj. ^{[ 2 ]}

Por lo tanto, el voltaje es el principal determinante del consumo de energía y el calentamiento. ^{[ 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 existe potencia estática, que se debe principalmente a varias corrientes de fuga. Debido al consumo de potencia estática y al tiempo de ejecución asintótico, se ha demostrado que el consumo de energía del software muestra un comportamiento energético convexo, es decir, existe una frecuencia óptima de la CPU en la que se minimiza el consumo de energía. ^{[ 5 ]} La corriente de fuga se ha vuelto cada vez más importante a medida que los tamaños de los transistores se han reducido y los niveles de voltaje umbral se han reducido. Hace una década, la potencia dinámica representaba aproximadamente dos tercios de la potencia total del chip. La pérdida de potencia 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 alto k y el control de potencia han sido métodos comunes.

El escalado dinámico de voltaje es otra técnica relacionada de conservación de energía 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 con el aumento de la temperatura, por lo que el consumo de energía puede aumentar con la temperatura. Dado que un mayor consumo de energía puede aumentar la temperatura, los aumentos de voltaje o frecuencia pueden incrementar las demandas de energía del sistema incluso más de lo que indica la fórmula CMOS, y viceversa. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

ACPI 1.0 (1996) define una forma para que una CPU pase a "estados C" de inactividad, pero no define ningún sistema de escalado de frecuencia.

ACPI 2.0 (2000) introduce un sistema de estados P (estados de potencia y rendimiento) que un procesador puede usar para comunicar sus posibles ajustes de frecuencia y potencia al sistema operativo. El sistema operativo ajusta la velocidad según sea necesario alternando entre estos estados. Las tecnologías de limitación de rendimiento, como SpeedStep, PowerNow!/Cool'n'Quiet y PowerSaver, funcionan mediante estados P. Existe un límite máximo de 16 estados. ^{[ 8 ]}

ACPI 5.0 (2011) introduce el control colaborativo del rendimiento del procesador ( CPPC ), que expone cientos de niveles de rendimiento al sistema operativo para su selección en forma de un "nivel de rendimiento" abstraído de la frecuencia. Esta abstracción proporciona margen de maniobra para que el procesador ajuste su funcionamiento (estados C) de formas distintas a la frecuencia (estados P). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Varias CPU modernas pueden realizar el escalado de frecuencia de forma autónoma, utilizando un rango de nivel de rendimiento y una sugerencia de "preferencia de eficiencia/rendimiento" del sistema operativo.

• Las CPU de Intel a partir de Skylake admiten estados P gestionados por hardware , también conocidos como Speed ​​Shift . Se basan en el protocolo CPPC y utilizan un registro específico del modelo como canal de control. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• Las CPU de AMD a partir de Zen 2 admiten una función similar. Depende de que CPPC esté habilitado. El canal de comunicación preferido es un MSR (diferente del de Intel) introducido en Zen 3; las unidades Zen 2 utilizan el método ACPI AML. ^{[ 14 ]}

El escalado dinámico de frecuencia reduce la cantidad de instrucciones que un procesador puede emitir en un tiempo determinado, lo que disminuye el rendimiento. Por lo tanto, generalmente se utiliza cuando la carga de trabajo no está limitada por la CPU.

El escalado dinámico de frecuencia por sí solo rara vez resulta útil para ahorrar energía de conmutación. Para ahorrar la mayor cantidad de energía posible, también se requiere un escalado dinámico de voltaje, debido al componente V2 ^y a que las CPU modernas están altamente optimizadas para estados de inactividad de bajo consumo. En la mayoría de los casos de voltaje constante, es más eficiente funcionar brevemente a velocidad máxima y permanecer en un estado de inactividad profunda durante más tiempo (lo que se denomina " carrera hacia la inactividad " o sprint computacional), que funcionar a una frecuencia de reloj reducida durante mucho tiempo y permanecer solo brevemente en un estado de inactividad ligera. Sin embargo, reducir el voltaje junto con la frecuencia de reloj puede modificar estas compensaciones.

Una técnica relacionada pero opuesta es el overclocking , mediante el cual se aumenta el rendimiento del procesador elevando su frecuencia (dinámica) más allá de las especificaciones de diseño del fabricante.

Una diferencia importante entre ambos es que, en los sistemas de PC modernos, el overclocking se realiza principalmente a través del bus frontal (sobre todo porque el multiplicador suele estar bloqueado), mientras que el escalado dinámico de frecuencia se realiza con el multiplicador . Además, el overclocking suele ser estático, mientras que el escalado dinámico de frecuencia siempre es dinámico. El software a menudo puede incorporar las frecuencias de overclocking al algoritmo de escalado de frecuencia, si los riesgos de degradación del chip son aceptables.

• Escalado dinámico de voltaje
• Control de reloj
• HLT (instrucción x86)

Tecnologías de ahorro de energía:

• AMD Cool'n'Quiet (CPU de escritorio)
• AMD PowerNow! (procesadores para portátiles)
• AMD PowerTune / AMD PowerPlay (gráficos)
• Intel SpeedStep (CPU)

Tecnologías para mejorar el rendimiento:

• AMD Turbo Core (CPU)
• Intel Turbo Boost (CPU)