Tdp процессора что это
В конце октября вышли процессоры Intel 12-го поколения , которые принесли много нового. Основное новшество – процессор стал гибридным и совмещает на одном кристалле как рабочие мощные ядра, так и энергоэффективные. Кроме этого, изменилось название техпроцесса, теперь вместо нанометров указывается Intel 7. Ну и ещё одно новшество, у Alder Lake-S исчезло такое привычное значение TDP, а появились два новых значения.
Мир случайных чисел
В основном я буду говорить о потребительской электронике. Часто PL1, PL2 и Tau тщательно контролируются в таких ограниченных по охлаждению условиях, как ноутбуки или небольшие ПК. Я знаком с несколькими мощными, и в то же время стильными вариантами ПК, у которых PL2 также приравнивали к TDP, чтобы процессор смог немного разогнаться, но не до такой степени, чтобы нагрузка одного-двух ядер выходила за пределы TDP.
Однако в наших обзорах CPU после распространения шестиядерных процессоров мы часто начали видеть цифры гораздо большие, чем PL1 или PL2, и это потребление продолжается сколь угодно долго, если только не выходит за пределы ограничений температуры. Почему это происходит?
В любом современном BIOS, в особенности у основных производителей мат.плат, будут присутствовать настройки по ограничению мощности (краткосрочное и долгосрочное) и длительности. В большинстве случаев по умолчанию пользователю неизвестно, в какое значение они установлены, поскольку там будет написано Auto, что является кодовым обозначением «мы знаем, какое значение им назначить, не волнуйтесь». Производители запишут величины в память и будут их использовать, но пользователь увидит только Auto. В результате можно назначить PL2 в 4096 Вт и сделать Tau очень большим, к примеру, 65535, или -1 (бесконечность – зависит от варианта BIOS). Это означает, что CPU без перерыва будет работать в режиме турбо, пока не превысит температурные ограничения.
Зачем производители так поступают? Тому может быть много причин, хотя конкретные причины у конкретных производителей могут разниться.
Во-первых, это означает, что пользователь может поддерживать турбо-режим постоянно, и каждое ядро будет работать в режиме турбо каждую секунду. Результаты измерений быстродействия будут доставать до небес, в обзорах или когда пользователя меряются показателями, всё выглядит прекрасно,
Во-вторых, продукты для этого и разрабатываются. Intel часто с каждым запуском определяет спецификацию мат.платы по умолчанию (у них даже были свои материнки, которые они продавали в розницу), с определённым количеством фаз питания и с ожидаемым временем жизни. Производители, очевидно, могут внедрять свои варианты: больше фаз питания, более мощные фазы, особый подвод питания для улучшения эффективности, и т.д. Если их плата может поддерживать турбо-режим всех ядер беспрерывно, то почему бы и нет?
В-третьих, производители более дорогих моделей плат знают, что энтузиасты будут использовать для них улучшенные системы охлаждения. Если процессор потребляет более 160 Вт, а у пользователя есть приличная система охлаждения, тогда турбо-режим на всех ядрах улучшит впечатление от продукта. Стандарты Intel определяются для рекомендованных компанией кулеров.
Как снизить энергопотребление процессора во время его работы?
На процессорах для массового использования (мы не берем в расчет вещи, которые возможны при их проектировании) для снижения потребляемой энергии можно реализовать один из сценариев:
- Сократить энергопотребление подсистемы (ядра или другого ресурса, такого как тактовый генератор или кэш) путем отключения питания (уменьшив напряжение до нуля).
- Снизить энергопотребление путем снижения напряжения и/или таковой частоты подсистемы и/или целого процессора.
Второй вариант требует чуть больше объяснений. Энергопотребление интегральной схемы, которой является процессор, линейно пропорционально тактовой частоте и квадратично напряжению.
Примечание для тех, кто разбирается в цифровой электронике: Pcpu = Pdynamic + Pshort circuit + Pleak. При работающем процессоре Pdynamic является наиболее важной составляющей, именно эта часть зависит линейно от частоты и квадратично от напряжения. Pshort circuit пропорционально частоте, а Pleak — напряжению.
Более того, напряжение и тактовая частота связаны линейной зависимостью.
Высокая производительность требует повышенной тактовой частоты и увеличения напряжения, что еще больше влияет на энергопотребление.
Как прерывания влияют на процессор\ядро в состоянии сна?
Когда происходит прерывание, соответствующее ядро пробуждается и переходит в состояние С0. Однако, например Intel® Xeon® E3-1200 v5, поддерживает технологию Power Aware Interrupt Routing (PAIR), у которой есть два достоинства:
- для энергосбережения прерывание может быть переадресовано работающему ядру, чтобы не будить спящее ядро;
- для производительности прерывание может быть переадресовано от работающего на полную мощность ядра к простаивающему (С1) ядру.
Тайные цифры, которых нет на упаковке
Внутри каждого процессора Intel определяет несколько уровней энергии на основе возможностей и ожидаемых рабочих режимов. Однако все эти уровни энергии и возможности можно подстраивать на уровне прошивки, в результате чего OEM-производители решают, как эти процессоры будут работать в их системе. В итоге значение потребления энергии процессором в системе оказывается весьма размытым показателем.
Для простоты можно следить за тремя важными значениями. Intel называет их PL1 (уровень энергии 1), PL2 (уровень энергии 2) и T (Tau).
PL1 – эффективное равномерное ожидаемое потребление энергии в долгосрочной перспективе. По сути, PL1 обычно определяется, как TDP процессора. То есть, если TDP равно 80 Вт, то PL1 равно 80 Вт.
PL2 – краткосрочное максимальное потребление энергии процессором. Эта величина выше PL1, и в это состояние процессор переходит под нагрузкой, что позволяет ему использовать турбо-режимы вплоть до максимального значения PL2. Это значит, что если Intel определила несколько турбо-режимов у процессора, они будут работать, только когда PL2 доходит до максимального энергопотребления. В режиме PL1 турбо не работает.
Tau – временная переменная. Она определяет, как долго процессор должен оставаться в режиме PL2 перед тем, как откатиться на PL1. Tau не зависит от мощности и температуры процессора (ожидается, что при достижении температурного ограничения будет использоваться другой набор сверхнизких значений напряжения и частоты, а система PL1/PL2 перестаёт работать).
Давайте разберём ситуацию большой нагрузки на процессор.
Сначала он начинает работу в режиме PL2. Если нагрузка однопоточная, мы должны достичь верхнего значения турбо, которое обозначено в спецификации. Обычно энергопотребление одного ядра не приблизится к значению PL2 всего чипа. Если мы будем продолжать нагружать ядра, процессор отреагирует, уменьшая частоту турбо-режима в соответствии с по-ядерными значениями, определяемыми Intel. Если энергопотребление процессора достигает значения PL2, то его частота изменяется так, чтобы не выходить за рамки PL2.
Когда система находится под серьёзной нагрузкой долгий промежуток времени, «Tau» секунд, прошивка должна перейти на PL1 как на новое ограничение по мощности. Таблицы турбо перестают применяться – они работают только с режимом PL2.
Если потребление выходит за пределы PL1, тогда частота и напряжение изменяются так, чтобы потребление энергии оставалось в этих пределах. То есть процессор целиком уменьшает частоту от состояния PL2 до состояния PL1 на время работы под нагрузкой. Это значит, что температура процессора должна уменьшиться, и это должно увеличить время жизни процессора.
Режим PL1 работает, пока не исчезнет нагрузка, и ядро не перейдёт в состояние бездействия на определённое количество времени (обычно до 5 секунд). После этого режим PL2 снова может быть включён при появлении другой большой нагрузки.
Приведём примеры некоторых величин – Intel перечисляет несколько вариантов в спецификациях различных процессоров. Для примера я взял Core i7-8700K. Для этого проца верно следующее:
PL1 = TDP = 95 Вт
PL2 = TDP * 1.25 = 118.75 Вт
Tau = 8 сек
В данном случае система должна суметь разогнаться до 119 Вт на восемь секунд, а потом снова откатится назад до 95 Вт. Так работает уже несколько поколений процессоров Intel, и по большей части, это не имело особого значения, поскольку энергопотребление процессора целиком часто оказывалось сильно ниже значения PL1 даже под полной нагрузкой.
Однако вся ерунда начинается, когда в игру вступают производители материнских плат, поскольку PL1, PL2 и Tau можно настраивать в прошивке. К примеру, на графике выше можно снять ограничения с PL2, а PL1 назначить 165 Вт и 95 Вт.
Состояния питания (C-states) vs состояния производительности (P-states)
Состояния питания (C-states) vs состояния производительности (P-states)
Вот два способа снизить энергопотребление процессора:
- отключить некоторые подсистемы;
- снизить напряжение/частоту.
P-состояния описывают второй случай. Подсистемы процессора работают, но не требуют максимальной производительности, поэтому напряжение и/или тактовая частота для этой подсистемы может быть снижена. Таким образом, P-состояния, P[X], обозначают, что некоторая подсистема (например, ядро), работает на заданной паре (частота, напряжение).
Так как большинство современных процессоров состоит из нескольких ядер, то С-состояния разделены на С-состояния ядра (Core C-states, CC-states) и на С-состояния процессора (Package C-states, PC-states). Причина появления PC-состояний очень проста. Существуют компоненты с общим доступом (например, общий кэш), которые могут быть отключены только после отключения всех ядер, имеющих доступ к этому компоненту. Однако мы в роли пользователя или программиста не можем взаимодействовать с состояниями пакета напрямую, но можем управлять состояниями отдельных ядер. Таким образом, управляя CC-состояниями, мы косвенно управляем и PC-состояниями.
Состояния нумеруются от нуля по возрастанию, то есть C0, C1… и P0, P1… Большее число обозначает большее энергосбережение. C0 означает, что все компоненты включены. P0 означает максимальную производительность, то есть максимальные тактовую частоту, напряжение и энергопотребление.
Что означает TDP?
Величина TDP ( Thermal Design Power ) или Требования по теплоотводу, отражает максимальное количество тепла, которое, как ожидается, будет генерировать ЦПУ или ГПУ при среднем использовании. Значение TDP выражается в Ваттах, и используется в качестве ориентира, для определения необходимого уровня системы охлаждения, для того чтобы избежать перегрева комплектующих.
Например, энергоэффективный ЦПУ с TDP 12 Вт, может охлаждаться очень небольшим кулером или вовсе одним лишь радиатором. С другой стороны, процессору с TDP 95 Вт, понадобиться довольно большой радиатор с хорошим вентилятором. Многие пользователи, также сравнивают этот показатель с реальным энергопотреблением компонентов, но на самом деле это не совсем верно
Поскольку этот показатель основан на тепловой мощности, то рассматривая его, можно лишь сделать предположение о том, как много мощности потребляет тот или иной компонент. Низкий TDP обычно означает и небольшое энергопотребление, что подразумевает меньшее выделение тепла и бо́льшую автономность. Однако, TDP не отражает максимальное энергопотребление. TDP - это, скорее, номинальная величина, которую можно использовать в качестве ориентира.
Более того, каждый производитель выполняет собственное, внутреннее тестирование, и самостоятельно рассчитывает рейтинг TDP для своего оборудования. Поэтому TDP разных производителей сравнивать друг с другом также не совсем корректно. Кроме того, разные чипы, обладают разной предельной температурой - критичной может быть, как 100, так и 40 градусов, а поскольку TDP отражает требования к системе охлаждения, то во втором случае показатель будет выше, потому что кристалл необходимо охлаждать более активно, и, следовательно, иметь кулер способный рассеивать большее количество тепла.
Возможно ли отключить С-состояния (всегда использовать С0)?
Это возможно, но не рекомендуется. В даташите (секция 4.2.2, страница 64) есть примечание: «Долгосрочная надежность не гарантируется, если все энергосберегающие состояния простоя не включены». Поэтому вам не стоит отключать С-состояния.
Состояния питания ACPI
Прежде чем говорить про P-состояния, стоит упомянуть про состояния питания ACPI. Это то, что мы, пользователи, знаем, когда используем компьютер. Так называемые глобальные системные состояния (G[Х]) перечислены в таблице ниже.
Источник: ACPI Specification v6.2
Также существует специальное глобальное состояние G1/S4, Non-Volatile Sleep, когда состояние системы сохраняется на энергонезависимое хранилище (например, диск) и затем производится выключение. Это позволяет достичь минимального энергопотребления, как в состоянии Soft Off, но возвращение в состояние G0 возможно без перезагрузки. Оно более известно как гибернация.
Существует несколько состояний сна (Sx). Всего таких состояний шесть, включая S0 — отсутствие сна. Состояния S1-S4 используются в G1, а S5, Soft Off, используется в G2. Краткий обзор:
- G0/S0: Компьютер работает, не спит.
- G1: Sleeping.
- G1/S1: Power on Suspend. Состояние системы сохраняется, питание процессора и кэшей поддерживается.
- G1/S2: Процессор отключен, кэши сброшены.
- G1/S3: Standby или Suspend to RAM (STR). Оперативная память остается практически единственным компонентом с питанием.
- G1/S4: Hibernation или Suspend to Disk. Все сохраняется в энергонезависимую память, все системы обесточиваются.
Вот поддерживаемые состояния ACPI.
P-состояния, управляемые оборудованием
В этом случае ОС знает об аппаратной поддержке P-состояний и отправляет запросы с указанием нагрузки. В запросах не указывается конкретное P-состояние или частота. На основе информации от ОС, а также других факторов и ограничений оборудование выбирает подходящее P-состояние.
Я хочу рассказать об этом подробнее в следующей статье, но сейчас я поделюсь с вами своими мыслями. Мой домашний компьютер работает в этом режиме, я узнал это, проверив IA32_PM_ENABLE. Максимальный (но не гарантированный) уровень производительности — 39, минимальный — 1. Можно предположить, что существует 39 P-состояний. На данный момент уровень 39 установлен ОС как минимальный и как максимальный, потому что я отключил динамическое изменение частоты процессора в ядре.
Каков предел энергопотребления процессора?
Это во многом зависит от процессора, но для процессора E3-1245 v5 @ 3.50 ГГц расчетная тепловая мощность (Thermal Design Power, TDP) составляет 80 ватт. Это среднее значение, которое процессор может выдерживать бесконечно долго (Power Limit, PL1 на изображении ниже). Системы охлаждения должны быть рассчитаны на это значение, чтобы быть надежными. Фактическое энергопотребление процессора может быть выше в течение короткого промежутка времени (состояния PL2, PL3, PL4 на изображении ниже). TDP измеряется при нагрузке высокой вычислительной сложности (худший случай), когда все ядра работают на базовой частоте (3.5 ГГц).
Как видно на изображении выше, процессор в состоянии PL2 потребляет больше энергии, чем заявлено в TDP. Процессор может находиться в этом состоянии до 100 секунд, а это достаточно долго.
Сегодняшняя ситуация, и что мы можем с ней сделать
Давно хотел написать подобную статью, по меньшей мере, с момента запуска Kaby Lake. Большая часть процессоров в потребительских материнских платах работает с неограниченным PL2, и это считалось нормальным годами. И только по результатам тестирования Core i9-9900K мы начали замечать нечто странное. В нашей статье на прошлой неделе по поводу нового Xeon E написано, что наша материнская плата Supermicro буквально следует рекомендациям от Intel. Может показаться очевидным, что более коммерческая/серверная плата будет следовать спецификациям от Intel, но вживую я лично видел такое впервые. Очевидно, что потребительские платы по таким спецификациям не работают, и не работали. Я бы сказал, что собственные результаты тестирования от Intel (и результаты тестирования процессоров Intel от AMD) на потребительских материнках тоже не соответствуют спецификациям от Intel.
- TDP пиковое для PL2
- TDP долговременное для PL1.
Таким образом Intel и другие смогут объяснить пиковое потребление и базовую частоту.
Если пользователи хотят, чтобы потребительские материнские платы изменились, то это будет сложнее сделать. Все производители хотят опередить друг друга, поэтому мы сталкиваемся с такими вещами, как опция Multi-Core Turbo, включённая по умолчанию. Производители предпочитают путь «неограниченного PL2», поскольку это позволяет им пролезать на вершины чартов быстродействия. А вот в ноутбуках с ограниченными возможностями по охлаждению часто заданы свои варианты PL1, PL2 и Tau, и часто они строго соответствуют этим параметрам.
Вопрос в том, насколько спецификации от Intel важны для настольных процессоров от Intel? Если нам надо следовать этим рекомендациям буквально, может, мы сделаем ещё один шаг, и будем использовать только стоковые кулеры?
Как центральный процессор может сокращать собственное энергопотребление? Основы этого процесса — в статье.
Центральный процессор (CPU) спроектирован на бесконечно долгую работу при определенной нагрузке. Практически никто не проводит вычисления круглые сутки, поэтому большую часть времени он не работает на расчетном максимуме. Тогда какой смысл держать его включенным на полную мощность? Здесь стоит задуматься об управлении питанием процессора. Эта тема включает в себя оперативную память, графические ускорители и так далее, но я собираюсь рассказать только про CPU.
Если вы знаете про C-состояния (C-states), P-состояния (P-states) и то, как процессор переходит между ними, то, возможно, в этой статье вы не увидите ничего нового. Если это не так, продолжайте читать.
Я планировал добавить реальные примеры из ОС Linux, но статья становилась все больше, так что я решил приберечь это для следующей статьи.Основные источники информации, использованные в этом тексте:
Для чего пользователю нужны значения TDP у процессора и видеокарты?
Думаю, уже самого определения этого параметра должно быть достаточно, чтобы понять, для чего нужно знание теплового пакета (TDP). Например, если вы самостоятельно собираете компьютер, эти данные могут быть полезным для:
- Подбора оптимальной системы охлаждения (в их характеристиках также заявлено максимальное рассеиваемое тепло) для поддержания адекватной температуры процессора.
- Выбора блока питания подходящей мощности (с учетом всех компонентов компьютера), при этом стоит учитывать, что у процессоров Intel пиковое энергопотребление может возрастать вплоть до двух раз от заявленного в технических характеристиках TDP.
Случается встретить и такой вопрос: высокий TDP — это хорошо или плохо? Отвечаю: не так и не эдак. Но, если речь идет об одном поколении процессоров или видеокарт (только в рамках одного поколения), обычно более высокий TDP означает и большую мощность. В то же время, например, если речь идет о ноутбуке, это же будет означать, что при равной емкости аккумулятора ноутбук с более низким TDP обычно работает дольше от батареи, чем с высоким, а ноутбук с высоким TDP сильнее греется и может быть шумнее.
Причем описанное может играть роль при выборе двух разных ноутбуков с одним процессорном. К примеру, уже начали появляться ноутбуки с отличным процессором Intel Core i7-1065G7. Этот процессор стандартно имеет TDP в 15 Вт, но допустима конфигурация этого же процессора до 25 Вт, и у некоторых производителей будет использовать именно она. Первый будет холоднее и автономнее, второй — заметно более производительным.
Это лишь общая информация о том, что такое TDP для начинающих пользователей для понимания этой характеристики, указываемой на официальных сайтах производителей процессоров и видеокарт, а также в магазинах, где они продаются. Обычно её бывает достаточно, но в части процессоров Intel, если интересно, можно копнуть и глубже.
Что такое TDP
TDP указывается в ваттах, это то количество тепла, которое отдаёт процессор работая в штатном режиме. Многие считают это значение реальным потреблением самого процессора, но хоть и это и не совсем так, но скрепя сердцем, можно так считать. Однако мы говорим про штатный режим работы, когда процессор работает на частотах не превышающих 3 ГГц. А вот в режиме Turbo Boost процессор «разгоняется» до 5 ГГц и более, и хоть в таких режимах он работает и достаточно непродолжительное время, но выделяет тепла намного больше, чем значение, указанное в TDP. К примеру, Core i9 11900K в режиме Turbo Boost может иметь мощность 250 Вт и даже больше, в то время как TDP у него указано 125 Вт.
Причём мы говорим о процессоре, который используется из коробки «как есть». Соответственно для любителей оверклокинга, когда разогнанный процессор может достигать значений в 300 Вт и даже ещё больше, простая система охлаждения «впритык» уже вообще не подойдёт, да и не только любителям разгона, а и владельцам топовых процессоров, лучше уже купить СЖО .
То есть TDP – это приблизительное потребление энергии процессором в обычном режиме работы, это справедливо и для Intel, и для AMD. Конечно, в настройках CMOS можно выставить ограничение в какое-то значение, пусть даже 125 Вт, то производительность всего компьютера катастрофически снизится, мы тем самым запретим использовать процессору высокопроизводительный режим.
Как я могу узнать состояние процессора?
Существует не так много приложений, которые могут выводить эту информацию. Но вы можете использовать, например, CoreFreq.
Большинство пользователей считает, что прекрасно разбирается в том, что такое TDP, и что отражает этот показатель. Однако, на самом деле, ситуация вокруг этой характеристики намного более сложная и запутанная, чем может показаться на первый взгляд. Мы решили написать статью, чтобы раз и на всегда разобраться в том, что отражает TDP и как он может отличаться.
Заметки про Intel® Turbo Boost
Поскольку TDP (расчетная тепловая мощность) — это максимальная мощность, которую процессор может выдержать, то процессор может повышать свою частоту выше базовой, при условии что энергопотребление не превысит TDP. Технология Turbo Boost может временно повышать энергопотребление до границы PL2 (Power Limit 2) на короткий промежуток времени. Поведение Turbo Boost может быть изменено через подсказки оборудованию.
Что такое PBP и MTP
Как раз именно эти значения появились вместе с процессорами 12-го поколения. PBP – это сокращение от Processor Base Power или базовая мощность процессора, то же самое значение, которое раньше было известно как TDP. MTP – Maximum Turbo Power – значение мощности процессора при работе в режиме Turbo Boost. Причём MTP – это не совсем PL2, временных интервалов уже не указано.
Таким образом, Intel предоставила информацию о максимальной мощности процессора в параметре MTP, раньше про излишнее тепло простой пользователь мог даже не догадываться и с непониманием смотреть на притормаживания в играх.
Так как же правильно, кому доверять, в чём разница?
Intel назначает стандарты для своих запчастей. PL1, PL2, Tau, схема материнки, настройки прошивки – для всего есть значения по умолчанию, рекомендованные Intel. Некоторые из них публичные, например, те, что Intel указывает в документах, некоторые – конфиденциальные (и Intel нам о них не расскажет, как бы мы ни упрашивали). Однако это всё же рекомендованные значения. А по итогам, производители материнских плат могут делать всё, что им заблагорассудится. И они так и делают.
В результате, к примеру, мне тестировать оборудование из-за этого становится сложнее. Разным пользователям захочется, чтобы наши настройки были:
1. Рекомендованными Intel,
2. Как из коробки,
3. Вывернуты на максимум.И, естественно, рекомендации Intel дадут куда как меньшие показатели, чем «из коробки», а вариант «вывернуты на максимум» говорит сам за себя.
Стоит отметить, что до сих пор во всех тестах во всех обзорах CPU железо запускалось на настройках «из коробки», а не «рекомендованных Intel».
Чтобы дать некий контекст по значениям измерений, мы использовали мощный CPU и
получили следующие результаты в 25-30 секундном тесте с полной нагрузкой:AnandTech PL2 Tau PL1 Result Unlimited 4096W 999s 4096W 100% Intel Spec, 165W 207W 8s 165W 98% Constant 165W 165W 1s 165W 94% Intel Spec, 95W 118W 8s 95W 84% Constant 95W 95W 1s 95W 71% В последнее время было замечено, что некоторые производители материнских плат меняют свою стратегию по PL1/PL2/Tau, и урезают значение Tau до чего-то разумного, вроде 30 секунд. При запуске измерений скорости на таких материнских платах, пользователи получают результаты меньше, чем обычно, хотя эти результаты оказываются ближе к спецификациям Intel.
Дело в том, что когда на материнских платах стоит значение Auto, производитель обычно не раскрывает точную величину этого значения. В результате описывать работу такого оборудования очень тяжело. А ещё эти значения могут меняться в зависимости от установленного процессора.
Мы обычно проводим тестирования с настройками «из коробки», за исключением памяти, с которой мы используем значения, рекомендованные производителем. Мы считаем, что это наиболее честный способ сообщать читателям о том, на какую скорость они смогут рассчитывать, когда практически никакие настройки не менялись. В реальности это обычно означает, что PL2 установлено в какое-то очень большое значение, а Tau – в очень долгое. Мы постоянно сталкиваемся с режимом турбо, пока температура остаётся в установленных пределах.
TDP больше не актуален
В принципе, проблемы с охлаждением возникали иногда и до этого, когда система охлаждения процессора приобреталась отдельно, и в какой-то момент, особенно под нагрузкой, наблюдался пропуск тактов процессора из-за перегрева, иногда сопровождавшийся щелчками в спикере на материнской плате, хотя система охлаждения покупалась согласно TDP, но без учёта Turbo Boost.
Несколько лет назад Intel вводил параметр энергопотребления, так называемый PL (Power Limit), который был более информативный и давал возможность точнее рассчитать нужную систему охлаждения. В таблице было два столбца, величина первого значения была привычным TDP процессора, а вот вторая величина – это предельная мощность и максимальное время нахождения ЦП в таком режиме. К примеру, для флагмана Core i9 11900K табличное значение PL1 равно 125 Вт, а второе значение, PL2, указано 250 Вт при времени нахождения в таком состоянии 56 секунд. Из этого можно сделать выводы, что если процессор будет работать в режиме Turbo Boost и 2 раза интенсивнее отдавать тепло системе охлаждения, которая была куплена согласно TDP, то в течение минуты СО будет однозначно перегрета и не сможет справится с отведением такого количества тепла и процессору придётся защищаться, пропуская такты.
Комбинации состояний ACPI G/S и С-состояний процессора
Приятно видеть все комбинации в таблице:
В состоянии G0/S0/C8 системы процессора запущены, но все ядра отключены.
В G1 (S3 или S4) некорректно говорить про С-состояния (это касается как CC-состояний, так и PC-состояний), так как процессор полностью обесточен.
Для G3 не существует S-состояний. Система не спит, она физически отключена и не может проснуться. Ей необходимо сначала получить питание.
Особенности CPU
Согласно официальной странице продукта, мой процессор поддерживает следующие технологии:
- состояния простоя (Idle States);
- усовершенствованная технология Intel® SpeedStep (Enhanced Intel® SpeedStep Technology).
Теперь выясним, что значит каждое из этих определений.
Turbo Boost – что это
Не всегда процессору нужно работать с максимальной частотой. В большинстве случаев ЦП даже не работает и в номинальном режиме, максимально экономя ресурсы. Достигается это и увеличением частоты, и переключением значения множителя. Понаблюдать за тем, как ведёт себя процессор можно при помощи утилиты CPU-Z, она в реальном времени может отображать частоту процессора и значение множителя. При возрастании нагрузки, к примеру в играх, или просчёте видео, или элементарном архивировании, когда сложность задач максимальна, процессор может переходить в особый скоростной режим, который и называется Turbo Boost. В этом режиме он работает на повышенных частотах с максимальным умножением, соответственно выделяет намного больше тепла. Turbo boost – это комплекс аппаратной и программной части, по умолчанию он включен и в CMOS материнской платы, и может быть выключен вручную только для каких-то тестов. Программная часть включена в состав операционной системы. Дополнительно ничего скачивать и устанавливать для работы Turbo Boost не требуется.
Значит, TDP ничего не значит? Почему это стало проблемой только сейчас?
За последнее десятилетие методика использования термина TDP не поменялась, а вот процессоры начали по-другому использовать свой энергетический бюджет. Недавнее появление шести- и восьмиядерных потребительских процессоров с частотами за 4 ГГц означает, что новые процессоры с большой загрузкой превышают заявленное TDP. В прошлом мы видели, как четырёхядерные процессоры с обозначенным рейтингом в 95 Вт использовали только 50 Вт даже под полной нагрузкой в турбо-режиме. И если мы добавляем ядра, а обозначение TDP на упаковке не меняем, то что-то должно поменяться.
Что такое TDP
TDP указывается в ваттах, это то количество тепла, которое отдаёт процессор работая в штатном режиме. Многие считают это значение реальным потреблением самого процессора, но хоть и это и не совсем так, но скрепя сердцем, можно так считать. Однако мы говорим про штатный режим работы, когда процессор работает на частотах не превышающих 3 ГГц. А вот в режиме Turbo Boost процессор «разгоняется» до 5 ГГц и более, и хоть в таких режимах он работает и достаточно непродолжительное время, но выделяет тепла намного больше, чем значение, указанное в TDP. К примеру, Core i9 11900K в режиме Turbo Boost может иметь мощность 250 Вт и даже больше, в то время как TDP у него указано 125 Вт.
Причём мы говорим о процессоре, который используется из коробки «как есть». Соответственно для любителей оверклокинга, когда разогнанный процессор может достигать значений в 300 Вт и даже ещё больше, простая система охлаждения «впритык» уже вообще не подойдёт, да и не только любителям разгона, а и владельцам топовых процессоров, лучше уже купить СЖО .
То есть TDP – это приблизительное потребление энергии процессором в обычном режиме работы, это справедливо и для Intel, и для AMD. Конечно, в настройках CMOS можно выставить ограничение в какое-то значение, пусть даже 125 Вт, то производительность всего компьютера катастрофически снизится, мы тем самым запретим использовать процессору высокопроизводительный режим.
Как программно запросить переход в энергосберегающее С-состояние?
Современный (но не единственный) способ запросить переход в энергосберегающее состояние — это использовать инструкцию MWAIT или инструкцию HLT. Это инструкции привилегированного уровня, и они не могут быть выполнены пользовательскими программами.
Инструкция MWAIT (Monitor Wait) заставляет процессор перейти в оптимизированное состояние (C-состояние) до тех пор, пока по указанному (с помощью другой инструкции, MONITOR) адресу не будет произведена запись. Для управления питанием MWAIT работает с регистром EAX. Биты 4-7 используются для указания целевого С-состояния, а биты 0-3 указывают суб-состояние.
Примечание: Я думаю, что на данный момент только AMD обладает инструкциями MONITORX/MWAITX, которые, помимо мониторинга записи по адресу, работают с таймером. Это еще называется Timed MWAIT.
Инструкция HLT (halt) останавливает выполнение, и ядро переходит в состояние HALT до тех пор, пока не произойдет прерывание. Это означает, что ядро переходит в состояние C1 или C1E.
Что такое TDP (Thermal Design Power, требования к теплоотводу)
Для каждого процессора Intel гарантирует определённую рабочую частоту с определённой мощностью, часто имея в виду определённый кулер. Большая часть людей приравнивает TDP к максимальному энергопотреблению, учитывая, что в расчётах тепловая мощность процессора, которую необходимо рассеять, равна мощности, им потребляемой. И обычно TDP обозначает величину этой мощности.
Но, строго говоря, TDP относится к возможностям кулера по рассеиванию энергии. TDP – это минимальная возможность кулера, гарантирующая указанную эффективность. Часть энергии рассеивается через сокет и материнскую плату, а значит, рейтинг кулера может быть ниже TDP, но в большинстве обсуждений TDP и энергопотребление обычно означали одно и то же: сколько энергии процессор потребляет под нагрузкой.В рамках системы TDP можно установить в прошивке. Если процессор использовал TDP в качестве максимального ограничения по мощности, то мы бы увидели, как та же измерительная программа выдаёт подобные графики для процессоров высокой мощности с несколькими ядрами.
В последние годы Intel использовала именно такое определение TDP. Для любого заданного процессора Intel гарантировала рабочую частоту (базовую частоту) для конкретной мощности – TDP. Это значит, что процессор типа 65 Вт Core i7-8700, с обычной частотой 3,2 ГГц, и 4,7 ГГц в турбо-режиме, гарантированно будет потреблять до 65 Вт только при работе на частоте в 3,2 ГГц. Intel не гарантирует эффективной работы выше указанных 3,2 ГГц и 65 Вт.
Кроме базовых показателей, Intel также использует турбо-режим. Что-то вроде Core i7-8700 может показывать в турбо-режиме 4,7 ГГц, и потреблять при этом гораздо больше энергии, чем процессор, работающий на 3,2 ГГц. Турбо-режим для всех ядер на процессоре Core i7-8700 работает на частоте 4,3 ГГц – куда как больше гарантированной 3,2 ГГц. Ситуация усложняется, когда турбо-режимы не опускаются до базовой частоты. То есть, если процессор будет работать с постоянным превышением TDP, купленный вами кулер на 65 Вт (или тот, что шёл в комплекте) станет узким местом. Если вам нужно больше быстродействия, такой кулер надо выкинуть и взять что-то получше.
Однако производитель вам этого не сообщает. Если охлаждения для турбо-режимов будет недостаточно, а процессор достигнет температурного потолка, то большая часть современных процов перейдут в режим ограничения мощности, уменьшив быстродействие с тем, чтобы оставаться в рамках заданного энергопотребления. И в результате быстрый процессор не достигает пределов своих возможностей.
P-состояния
P-состояния подразумевают, что ядро в состоянии С0, потому что ему требуется питание, чтобы выполнять инструкции. P-состояния позволяют изменять напряжение и частоту ядра (другими словами рабочий режим), чтобы снизить энергопотребление. Существует набор P-состояний, каждое из которых соответствует разных рабочим режимам (пары напряжение-частота). Наиболее высокий рабочий режим (P0) предоставляет максимальную производительность.
Процессор Intel® Xeon® E3–1200 v5 позволяет контролировать P-состояния из операционной системы (Intel® SpeedStep Technology) или оставить это оборудованию (Intel® Speed Shift Technology). Вся информация ниже специфична для семейства Intel® Xeon® E3-1200 v5, но я полагаю, это в той или иной степени актуально и для других современных процессоров.
P-состояния, управляемые операционной системой
В этом случае операционная система знает о P-состояниях и конкретном состоянии, запрошенным ОС. Проще говоря, операционная система выбирает рабочую частоту, а напряжение подбирается процессором в зависимости от частоты и других факторов. После того, как P-состояние запрошено записью в моделезависимый регистр (подразумевается запись 16 бит в регистр IA32_PERF_CTL), напряжение изменяется до автоматически вычисленного значения и тактовый генератор переключается на заданную частоту. Все ядра имеют одно общее P-состояние, поэтому невозможно установить P-состояние эксклюзивно для одного ядра. Текущее P-состояние (рабочий режим) можно узнать, прочитав информацию из другого моделезависимого регистра — IA32_PERF_STATUS.
Смена P-состояния мгновенна, поэтому в секунду можно выполнять множество переходов. Это отличает от переходов C, которые выполняются дольше и требуют энергетических затрат.
С-состояния
Вот базовые С-состояния (определенные в стандарте ACPI).
- C0: Active, процессор/ядро выполняет инструкции. Здесь применяются P-состояния, процессор/ядро могут работать в режиме максимальной производительности (P0) или в режиме энергосбережения (в состоянии, отличном от P0).
- C1: Halt, процессор не выполняет инструкций, но может мгновенно вернуться в состояние С0. Поскольку процессор не работает, то P-состояния не актуальны для состояний, отличных от С0.
- C2: Stop-Clock, схож с C1, но требует больше времени для возврата в C0.
- С3: Sleep. Возврат в C0 требует ощутимо большего времени.
Примечание: Из-за технологии Intel® Hyper-Threading существуют также С-состояния потоков. Хотя отдельный поток может работать с С-состояниями, изменения в энергопотреблении происходят, только когда ядро входит в нужное состояние. В данной статье тема C-состояний на потоках рассматриваться не будет.
Вот описание состояний из даташита:
Примечание: LLC обозначает Last Level Cache, кэш последнего уровня и обозначает общий L3 кэш процессора.
Визуальное представление состояний:
Источник: Software Impact to Platform Energy-Efficiency White Paper
Последовательность C-состояний простыми словами:
- Нормальная работа при C0.
- Сначала останавливается тактовый генератор простаивающего ядра (С1).
- Затем локальные кэши ядра (L1/L2) сбрасываются и снимается напряжение с ядра (С3).
- Как только все ядра отключены, общий кэш (L3/LLC) ядер сбрасывается и процессор (почти) полностью может быть обесточен. Я говорю «почти», потому что, по моим предположениям, какая-то часть должна быть активна, чтобы вернуть процессор в состояние С0.
Однако если ядро работает (C0), то единственное состояние, в котором может находиться процессор, — C0. С другой стороны, если ядро полностью выключено (C8), процессор может находиться в C0, если другое ядро работает.
Примечание: Intel Software Developer’s Manual упоминает про суб-C-состояния (sub C-state). Каждое С-состояние состоит из нескольких суб-С-состояний. После изучения исходного кода модуля ядра intel_idle я понял, что состояния C1 и C1E являются состоянием С1 с подтипом 0 и 1 соответственно.
Число подтипов для каждого из восьми С-состояний (0..7) определяется с помощью инструкции CPUID. Для моего процессора утилита cpuid выводит следующую информацию:
Я создал гистограмму, представленную ниже, из исходного кода драйвера intel_idle для моего процессора (модель 0x5e). Подписи горизонтальной оси:
Имя C-состояния: специфичное для процессора состояние: специфичное суб-состояние.
Вертикальная ось обозначает задержку выхода и целевые резидентные значения из исходного кода. Задержка выхода используется для оценки влияния данного состояния в реальном времени (то есть сколько времени потребуется для возвращения в С0 из этого состояния). Целевое резидентное значение обозначает минимальное время, которое ядро должно находиться в данном состоянии, чтобы оправдать энергетические затраты на переход в это состояние и обратно. Обратите внимание на логарифмический масштаб вертикальной оси. Задержки и минимальное время нахождения в состоянии увеличивается экспоненциально с увеличением номера состояния.
Константы задержок выхода и целевых резидентных значении C-состояний в исходном коде intel_idle
Примечание: Хотя состояния С9 и С10 включены в таблицу, они имеют 0 суб-состояний и поэтому не используются в моем процессоре. Остальные процессоры из семейства могут поддерживать эти состояния.Что означает TDP
TDP — сокращение от Thermal Design Power, что в русскоязычных источниках обычно переводится как «Тепловой пакет». В общем случае TDP означает максимальное количество тепла в Ваттах, выделяемое процессором (или GPU) при работе. Однако, в реальности это может быть не совсем точным.
Также, говоря о TDP часто используют этот параметр как синоним потребляемой процессором мощности. Это может быть ошибкой, речь идет именно о «выделяемой тепловой», а не «потребляемой электрической» мощности. И несмотря на то, что численные значения обычно равны или очень близки, параметр TDP служит в первую очередь для определения необходимых спецификаций системы охлаждения. Но и здесь могут быть неточности в определениях, используемых разными производителями.
Теперь пара примеров, когда у определенных производителей иная интерпретация TDP:
- Под TDP обычно подразумевалась максимальная мощность выделяемого тепла процессором. Однако, у современных процессоров Intel под этим имеется в виду тепло в Ваттах, выделяемое CPU при работе в течение продолжительного времени на штатной базовой частоте (не Turbo Boost). Таким образом, фактически выделяемое тепло и потребляемая мощность могут вырастать заметно выше указанных в характеристиках значений TDP, то есть у Intel TDP ниже максимальной потребляемой и рассеиваемой мощности.
- У AMD заявленные значения TDP процессоров и видеокарт близки к реальным значениям максимальной выделяемой и потребляемой мощности при работе в обычном режиме.
- NVIDIA определяет TDP как «максимальная мощность, которую система может потреблять при работе и максимальное количество тепла, генерируемое компонентами и которое необходимо рассеять охлаждающей системе». То есть ставит знак равенства между потребляемой и рассеиваемой мощностью.
Вывод
Собственно, вывод напрашивается сам собой, введение новых тепловых показателей о реальной мощности процессора в разных условиях не является чем-то революционным, но раньше такую информацию можно было узнать, приложив дополнительные усилия. Информация о простом TDP процессора действительно устарела, потому что реально процессор может быть и в два, и в три раза горячее, чем было указано для штатного режима.
Соответственно теперь при сборе компьютера у обычного пользователя точно будет на одну ошибку меньше, при выборе подходящей системы охлаждения для процессора, зная его реальную возможную мощность и тепловыделение.
В последнее время сообщество любителей самостоятельной сборки ПК пронизано темой энергопотребления. У новейших восьмиядерных процессоров от Intel показатель TDP заявлен в 95 Вт, однако пользователи наблюдают, как те потребляют 150-180 Вт, что совершенно не имеет смысла. В этой инструкции мы объясним вам, почему это происходит, и почему это доставляет столько проблем авторам обзоров железа.
Что вынуждает ядро входить в определенное С-состояние?
Как отмечалось ранее, переходы между глубокими С-состояниями имеют высокие задержки и высокие энергетические затраты. Таким образом, такие переходы должны выполняться с осторожностью, особенно на устройствах, работающих от аккумуляторов.
Как это все работает, например, на Linux?
На этот вопрос я отвечу в другой статье.
Как отличается TDP у Intel и AMD
Хотя производители и несут ответственность за точное предоставление TDP для своих комплектующих, подходы Intel и AMD несколько отличаются. У процессоров Intel есть три важных характеристики - заявленное значение TDP, базовая частота и частота Turbo Boost. К примеру, у процессора Core i9-10900K, базовая частота равна 3,7 ГГц, а максимальная частота в режиме Trubo Boost составляет 5.3 ГГц, при этом TDP указан 125 Вт.
Вместе с тем, Intel заявляет, что такой TDP гарантируется только при работе процессора на базовой частоте в 3,7 ГГц для всех ядер. Как только ЦПУ достигает более высоких частот, повышается и его TDP. Однако требования TDP для подобных случаев не указаны.
Для других моделей процессоров разница между базовой и Turbo частотой может быть заметно меньше, но этого может быть вполне достаточно для того, чтобы ваша система охлаждения, рассчитанная на номинальный TDP, начала не справляться при длительной работе на повышенных частотах. Поэтому к выбору системы охлаждения следует относиться особенно тщательно, если вы собираетесь купить производительный процессор.
- TDP отражает тепловые, а не электрические ватты .
- TDP – это конечная величина, которая указывает производителям кулеров, какое тепловое сопротивление приемлемо для кулера, для обеспечения номинальной производительности процессора, указанной производителем.
- Тепловое сопротивление радиаторов измеряется в единицах, называемых θca ( первый символ – это буква греческого алфавита Тета ), которые отражают собой градусы Цельсия на ватт.
- В частности, θca представляет собой тепловое сопротивление между теплораспределителем ЦПУ и окружающей средой.
Сама формула выглядит следущим образом:
- tCase°C: Оптимальная температура для соединения кристалла/крышки распределителя, для достижения номинальной производительности.
- tAmbient°C: Оптимальная температура воздуха на входе вентилятора ЦПУ, для достижения номинальной производительности
- HSF ϴca(°C/W): Минимальное тепловое сопротивление радиатора, градусов Цельсия на Ватт, необходимое для достижения номинальной производительности.
В качестве примера, приводится расчет TDP для процессора AMD Ryzen Threadripper1950X:
Где 0.133 ϴca - это объективная характеристика AMD для тепловой производительности кулера, при которой можно достичь номинальной производительности процессора.
Другими словами, для Threadripper 1950X, компания считает оптимальной, температуру в 56° и рекомендует кулер с тепловым сопротивлением 0.133 ϴca, что позволит достичь заявленной производительности. Таким образом энергопотребление, при расчете TDP не учитывается вовсе.
Поэтому при выборе процессора, вам стоит учитывать разные подходы компаний в расчёте TDP, и стараться выбирать подходящее охлаждение.
В характеристиках процессора компьютера или ноутбука (CPU) или видеокарты (GPU) вы можете увидеть такую характеристику как TDP, выражаемую в Ваттах. Некоторые начинающие пользователи компьютера интересуются, что означает этот параметр.
В этой инструкции подробно о том, что такое TDP у процессора или видеокарты, на что влияет и какое значение эта характеристика может иметь для вас как владельца компьютера.
Применима ли эта информация о C-состояниях и P-состояниях к мобильным и встраиваемым процессорам?
Для примера, недавний MacBook Air с процессором i5-5350U в основном поддерживает возможности, описанные выше (но я не уверен про P-состояния, контролируемые оборудованием). Я также смотрел документацию ARM Cortex-A, и, хотя там применяются другие термины, механизмы управления питанием выглядят похоже.
Читайте также: