Управління живленням X86 Основи на рівні транзисторів Вся електроніка
Перш ніж розглядати питання управління живленням найновіших вбудованих процесорів x86, які споживають приблизно від 6 до 60 Вт, важливо знати основоположні межі кремнієвої логіки. Поточні системи управління живленням повинні гарантувати, що ці межі не будуть перевищені, і забезпечувати високий рівень надійності та функціональності за будь-яких умов роботи. Отже, далі стаття, насамперед, стосується цих факторів впливу на процесори x86, навіть якщо існує багато інших факторів.
Дотримуйтесь робочих обмежень
Кутові дані
Вбудовані процесори, такі як Epyc та Ryzen від AMD з архітектурою x86 та технологією FinFET 14 нм, розроблені для оптимальної обчислювальної потужності, але вимагають складного управління живленням. У цій першій частині стаття описує основи необхідності належного управління потужністю на рівні транзисторів: вплив робочого циклу на споживання енергії, струми витоку, дисперсії процесора та навантаження. Останнє є особливо важливим, оскільки сучасні вбудовані процесори інтегрують багато функцій, які раніше переймали зовнішні компоненти - найкращим прикладом цього є графічний процесор.
Тактова частота процесора є, мабуть, найбільш очевидним фактором, що обмежує продуктивність. Навіть кінцеві споживачі знайомі з взаємозв’язком між продуктивністю та тактовою частотою. Робочий цикл визначає, наскільки швидко перемикається логіка і як швидко можна виконувати команди. Продуктивність двох процесорів, які працюють з однаковою тактовою частотою, але з різною архітектурою, буде не однаковою. Тим не менше, швидкість виконання зростає разом з ними обома. Однак можливості збільшення швидкості роботи - тобто частоти процесора - обмежені кількома факторами. Найважливішими є напруга і струм.
Той, хто знайомий з транзисторною технологією, знає, що напруга надзвичайно важливий вплив на частоту. У транзисторі для більш швидких процесів комутації потрібна більш висока напруга, щоб мати можливість подолати резистивні та ємнісні елементи транзистора. Однак вищі напруги призводять до посилення ефектів старіння. Як результат, існують обмеження щодо застосування напруги, якщо хочеться забезпечити тривалий термін служби. Швидші процеси комутації в транзисторі також генерують вищі струми, оскільки ємнісні елементи заряджаються і розряджаються сильніше. Навіть якщо окремий транзисторний струм може бути дуже малим, процесори струму можуть мати мільярди транзисторів, так що багато малих струмів швидко додаються. Процесорна плашка зазвичай розміщена в упаковці. Тут також є обмеження щодо того, наскільки потужність може ефективно подаватися в матрицю. Тому кожна цифрова мікросхема повинна мати ідеальний баланс напруги та струму на транзисторі, щоб досягти своєї максимальної корисної тактової частоти.
Робочий цикл дорівнює енергоспоживанню
Поєднання закону Ома і Джоуля також вчить, що напруга і струм породжують втрати потужності і що обидва параметри мають прямий вплив на споживання енергії. Тому насправді обмеження робочого циклу насправді є обмеженням споживання енергії або споживання енергії. Швидші процеси перемикання в транзисторі призводять до вищого потоку струму, а також можуть вимагати вищих напруг. І те, і інше збільшує енергоспоживання. Тому для всіх інтегральних схем визначено максимальне споживання енергії, щоб розробники могли проектувати системи відповідно до вимог до потужності та охолодження. Тому обмеження споживання енергії часто є найважливішим обмежуючим фактором для продуктивності, особливо для процесорів, які знаходяться на нижньому кінці споживання енергії - тобто вони розроблені, щоб бути особливо енергозберігаючими. Тому сьогоднішні процесори, засновані на архітектурі x86, зазвичай більш обмежені своїм енергоспоживанням, ніж своєю максимальною робочою швидкістю, коли вони активно використовуються.
Температура штампа - ще один фактор, який слід враховувати, хоча і не найочевидніший. Під час роботи процесора споживана електрична потужність перетворюється на тепло. Однак тепло впливає як на робочі властивості кремнієвого транзистора, так і на швидкість дифузії легуючих елементів на транзисторних переходах. Зрештою, дифузія змінює електричні властивості транзистора, поки він більше не функціонує належним чином і не закінчує термін служби. Отже, обмеження температури на переходах в процесорі має вирішальне значення для очікуваного терміну служби. Ось чому виробники процесорів також визначають максимальні температури штампа. Дотримання цих температурних обмежень є одним з найважливіших завдань управління живленням процесора.
Струми витоку
Рисунок 1: Частка струму витоку для вбудованого процесора AMD у 14-нм технологічному процесі FinFET. AMD
Іншим основним принципом кремнієвих транзисторів є виникнення струмів витоку на місцях з'єднання та на підкладці. Величина струму витоку в процесорі певного типу процесу може змінюватися в залежності від прикладеної напруги та температури і може досягати надзвичайно високих значень за допомогою сучасних високопродуктивних процесорів. Це пов’язано з тим, що ті самі фактори, які змушують транзистор перемикатися швидше - тобто забезпечують вищу тактову частоту - також збільшують струми витоку. Ці струми витоку генерують додаткове розсіювання потужності, яке необхідно додати до енергоспоживання процесора. Таким чином, втрата потужності через струми витоку також зменшує ефективну потужність, доступну процесору, тобто потужність, яка використовується для робочої частини транзисторної схеми. На рисунку 1 показано частку струмів витоку в загальному споживанні енергії як функцію струму для процесора AMD з транзисторами FinFET 14 нм.
Рисунок 2: Частка втрат потужності через струми витоку як функція температури для процесора x86 від AMD у 14 нм технології FinFET. AMD
Втрати потужності через струми витоку зростають в геометричній прогресії із збільшенням температури штампа. В інтегральній схемі вона збільшується в рази над робочою температурою. Це означає, що енергоспоживання процесора автоматично зростає із підвищенням температури, хоча інші параметри, такі як тактова частота, напруга та обробне навантаження, залишаються незмінними. Тому виробники процесорів повинні або забезпечити достатньо свободи для збільшення споживання енергії при підвищенні температури, або вони використовують схему управління енергозалежною залежністю. На рисунку 2 показані втрати потужності через струми витоку як функція температури для згаданого вище сімейства процесорів AMD.
Дисперсії процесора
Кремнієвий процес фотолітографії для виготовлення напівпровідників має невід'ємні дефекти, які виявляються як відхилення в конструкції транзисторів і, отже, впливають на їх експлуатаційні характеристики. Такі розбіжності проявляються не тільки у різних партіях кремнієвих пластин, але і в окремій пластині. Вони можуть призвести до того, що процесор помирає з однієї області пластини, що вимагає вищої напруги на тій же частоті, що і її сусіди, або має вищі струми витоку. Рисунок 1 також досить добре ілюструє ці дисперсії струмів витоку. Оскільки електрична потужність є ключовим фактором для визначення досяжних характеристик певного процесора, це, природно, також призводить до коливань продуктивності.
Тому виробники процесорів класифікують штампа на різні групи та присвоюють їх різним моделям процесорів з різними характеристиками (наприклад, 25 Вт та 35 Вт), щоб максимізувати вихід. Виробник визначає діапазон цих відхилень для кожної моделі, причому більш економічно вигідні моделі, як правило, мають більші відхилення. Ці змінні дисперсії також повинні мати можливість мати справу з сучасними рішеннями з управління енергією.
Різне навантаження, різні потреби в енергії
GPU на борту
Інтеграція графічного процесора (GPU) є найважливішою, оскільки це дуже велике, виділене обчислювальне ядро. Графічний процесор у деяких процесорах x86 може мати більше транзисторів, ніж ядра центрального процесора, оскільки програми стають все більш графічно інтенсивними. Особливо це стосується таких компаній, як AMD, які покладаються на дуже потужні вбудовані графічні блоки у своїх мікропроцесорах. Змішані робочі навантаження, що виконують одночасно комбінацію інструкцій процесора та графічного процесора, можуть посилити цей ефект диференціального енергоспоживання.
Рисунок 3: Споживання енергії центрального процесора з двома різними робочими навантаженнями, які суворо обмежені процесором (AMD Embedded RX-421BD-SoC, Prime 95 v29.3 b1 Large FFT, Microsoft Sysinternals CPU Stress v1.0), Prime 95 імітує тут Екстремальний випадок. AMD
На малюнку 3 наведено приклад цього. Тут споживану потужність центрального процесора з двома різними робочими навантаженнями, обмеженими процесором, вимірювали на випадково обраному вбудованому SoC AMD RX-421BD на основі архітектури екскаватора. Обидва робочі навантаження мають одне ядро процесора, повністю використане при збереженні максимальної тактової частоти. Для цього був використаний Prime 95, оскільки ця програма імітує крайній випадок. Тому його часто називають "термічним вірусом". Значення енергоспоживання для іншого навантаження були нормалізовані до цього рівня.
Значення на малюнку 3 показують, що енергоспоживання процесорного ядра становило лише близько 57 відсотків у порівнянні з Prime 95 з менш енергоємним робочим навантаженням. Екстраполюючи на декілька фізичних ядер, неважко помітити, що різниця у споживанні енергії може бути дуже великою залежно від навантаження. У цьому випадку центральний процесор зміг утримувати максимальну тактову частоту 3,5 ГГц на активному ядрі, не досягаючи діапазону потужності або регулювання струму, так що швидкість роботи не довелося зменшувати.
Рисунок 4: Порівняння простого 3D-навантаження від Microsoft Direct X 9 SDK (Blobs) із Furmark, зовнішнім навантаженням графічного процесора. AMD
Вимоги до продуктивності робочих навантажень графічного процесора подібні. Рисунок 4 порівнює просте 3D-навантаження від SDK Microsoft DirectX 9 ("Blobs") з Furmark, надзвичайним навантаженням графічного процесора, яке також належить до класу теплових вірусів. Частота графічного процесора була штучно обмежена до 720 МГц, щоб уникнути обмеження потужності та показати всю можливу різницю у споживанні енергії.
Дані споживання енергії графічного процесора показують, що програма Blobs споживає лише 82 відсотки енергії Furmark. Слід також зазначити, що зі збільшенням робочого навантаження збільшення розсіювання потужності також збільшує температуру в даному середовищі системи. І як вже писалося вище, більш висока температура також призводить до ще більших втрат потужності через струми витоку, так що різниця в додатковій потребі в потужності ще більша. Якщо потрібно зберегти лише додаткову продуктивність, яка зумовлена виключно навантаженням, температура штампа повинна залишатися постійною. У цьому тесті цього не було зроблено. Однак відхилення було лише на кілька градусів, так що результати не зазнали значного впливу.
Ця стаття заснована на документах AMD.