Включение энергосбережения в процессорах ПК.

Включение энергосбережения в процессорах ПК.

            Процессор ПК может находиться в «сонном» состоянии,в этом состоянии энергопотребление процессора снижается в зависимости от «глубины сна» (различают состояния «сна» процессора от C0 до C3):

                1. C0 - рабочее состояние процессора. В этом состоянии процессор выполняет обычные вычислительные и обменные функции без ограничений;
                2. C1 - начальное состояние сна. В этом состоянии энергопотребление процессора незначительно снижается, что не дает серьезного повода для утверждения о введении функциональных ограничений на выполнение программ. Вывод процессора из этого состояния осуществляется настолько быстро, что операционная система не в состоянии среагировать на временные задержки, связанные с этим процессом;
                3. C2 - это факультативное (необязательное) состояние процессора. Процессор устанавливается в состояние еще более низкого энергопотребления, чем в C1. Время вывода из состояния C2 записывается в специальную таблицу FADT и учитывается затем операционной системой. В этом состоянии процессор продолжает управлять кэшем;
                4. C3 - состояние глубокого сна. В этом состоянии процессор прекращает управление кэшами L1 и L2. В случае если устройство захватывает шину в режиме Bus Master для обмена ПДП, процессор переводится из состояния C3 в C2 или C1. В обычном режиме ПДП при частых запросах на захват шины операционная система переводит процессор в менее глубокое, чем C3, состояние сна. Состояние C3 предлагает еще более экономное потребление электропитания, чем в состояниях C1 и C2. Неблагоприятное аппаратное время ожидания для этого состояния предусмотрено через системные микропрограммы ACPI и операционное программное обеспечение, которое может использовать эту информацию, чтобы определяться, когда состояние C2 должно быть использовано вместо состояния C3. В состоянии C3 кэш-память процессора поддерживает режим хранения данных, но игнорируют любое к ней обращение. Операционное программное обеспечение обеспечивает поддержку связности кэш-памяти. Более глубокий Sleep (С4) включает состояние Deeper Sleep и состояние Intel Ehanced Deeper Sleep.
                У процессоров Intel имеется группа входных контактов, при подаче на них управляющих сигналов происходит переход процессора в специальные состояния: 
                - сигнал на входе STPCLK# вызывает переключение процессора из рабочего режима в состояние STOP GRANT (процессор работает с приостановками и потребляет меньше электроэнергии). По снятию сигнала процессор возвращается в рабочий режим;
                - сигнал на входе SLP# переключает процессор из состояния STOP GRANT в состояние Sleep (сна), он потребляет еще меньше энергии, не выбирает и не выполняет команды программы. По снятию процессор возвращается в режим STOP GRANT;
                - сигнал на входе DPSLP# вызывает переход процессора из режима "сна" (Sleep) в режим "глубокого сна" (Deep Sleep). По снятию сигнала процессор возвращается в режим "сна" (Sleep).
                - сигнал на входе DPRSTP# вызывает переход процессора из режима "глубокого сна" (Deep Sleep) в режим "глубочайшего сна" (Deeper Sleep). По снятию сигнала процессор возвращается в режим "глубокого сна" (Deep Sleep).
                - сигнал на входе DPWR# - это сигнал управления включением питания буферов шины данных процессора.
                Один из основных способов регулировки потребления электроэнергии процессора состоит в чередовании его рабочих и нерабочих циклов. При этом используются значения Duty Width и Duty Value. Первое из этих значений определяет временной цикл, а второе соотношение периодов работы и периодов покоя. Останов процессора осуществляется за счет прекращения подачи сигналов тактовой частоты.
                В процессорах архитектуры Nehalem имеется специальный блок PCU (Power Control Unit), предназначенный для мониторинга и управления питанием процессора (по сути, PCU - это целый микроконтроллер, т. е. процессор в процессоре). PCU, основываясь на данных сенсоров и датчиков, может полностью выключать отдельные ядра и блоки CPU. Благодаря этой функциональности инженеры Intel смогли внедрить в Core i7 технологию Turbo Boost. 
                Относительная энергоэкономичность Core i7 обусловлена низким рабочим напряжением (1,20 В) и размещением в теле процессора специального микроконтроллера PCU, в функциональные обязанности которого входит мониторинг и регуляция показателей напряжения, силы тока (и температуры) ядер. Кроме того, PCU способен полностью отключать одно или несколько ядер от энергоснабжения. В зависимости от ситуации, при работе в приложениях, не (полностью) использующих многозадачные способности Nehalem, часть ядер отключается, а частота оставшихся - повышается (при этом центральный процессор в целом не выходит за рамки своего TDP).
                Например, в четырехядерных Core i7 могут быть полностью отключены два либо три ядра, и во втором случае частота оставшегося единственного ядра будет поднята еще больше. Возьмем случай с двухядерным процессором. Поскольку в однопоточных приложениях от многоядерности эффекта мало, основную роль здесь играет производительность отдельно взятого ядра. Поэтому Intel предусмотрела увеличение частоты работающего ядра (non-idle core), в то время как второе (idle core) находится в одном из состояний бездействия C3-C6 (рис. 1) и его тепловыделение резко сокращается. Эту разницу использует работающее ядро и повышает свою частоту до достижения процессором граничного уровня TDP. Основные состояния ядра, автоматически определяемые процессором, показаны в табл. 1.


Рис. 1. Состояния энергопотребления процессора Core i7

                Смысл динамического масштабирования заключается в том, что любое ядро может быть полностью отключено, если оно не участвует в данный момент в работе (вентильные транзисторы - power gates-transistors, в режиме выключения обеспечивают реальное прекращение подачи питания). 

Таблица 1


                Поскольку выбор режима Turbo mode относится к уровню отдельного ядра, то возникают разнообразные комбинационные решения с включением (отключением) одного или нескольких ядер. Turbo Mode не влияет на общую стабильность системы при разгоне CPU. В любом случае, данную технологию легко отключить через BIOS материнской платы.
                В процессорах семейства Sandy Bridge каждое из четырех ядер может быть при необходимости независимо переведено в режим минимального энергопотребления, графическое ядро также можно перевести в очень экономичный режим. Кольцевая шина и кеш L3, в силу их распределения между другими ресурсами, не могут быть отключены, однако для кольцевой шины предусмотрен специальный экономичный ждущий режим, когда она не нагружена, а для кеш-памяти L3 применяется традиционная технология отключения неиспользуемых транзисторов, уже известная нам по предыдущим микроархитектурам.