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Techniques

Gestion de l’alimentation x86

Publication: 16 avril

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Objectif : une performance maximale et un fonctionnement fiable...
 

Les architectures matérielles x86 actuelles sont conçues pour fournir des performances de calcul optimales. Ceci est assuré par la gestion de l’énergie qui est conçue pour assurer une performance maximale et un fonctionnement fiable en même temps.

Avant de pouvoir discuter des comportements de gestion de l’énergie, il est important de comprendre les limites fondamentales des circuits intégrés en silicium. En fait, le but premier de la gestion de l’énergie dans ces dispositifs est de s’assurer que ces limites ne sont pas dépassées afin que la fiabilité et la fonctionnalité des dispositifs soient maintenues. Il existe de nombreux facteurs qui affectent les performances des transistors à base de silicium, mais l’accent est mis ici sur les facteurs les plus importants qui affectent les processeurs x86 dans leurs gammes de fonctionnement typiques.

Rester dans les limites

La fréquence du processeur est probablement le plus évident des facteurs limitant les performances. La fréquence définit la vitesse à laquelle la logique du dispositif est cadencée, et donc la vitesse à laquelle les instructions sont exécutées. Les performances ne seront pas équivalentes lorsque l’on compare deux processeurs de fréquence équivalente et d’architecture différente, mais il est généralement vrai qu’une augmentation de la fréquence augmentera les performances d’exécution.

Une commutation plus rapide des transistors nécessite une tension croissante pour surmonter les éléments résistifs et capacitifs du transistor. Cependant, une tension plus élevée augmente les effets du vieillissement (Gielen, 2013), ce qui limite concrètement l’application de la tension pour assurer la longévité du produit. Une commutation plus rapide des transistors génère également des courants plus élevés car ces éléments capacitifs sont chargés et déchargés.

La combinaison des lois d’Ohm et de Joule nous apprend que toute cette tension et ce courant génèrent de la puissance, et que ces deux paramètres ont une relation directe avec la puissance. En fait, la réalité est que la plupart des limitations de fréquence des processeurs se résument également à des limites de puissance ou de courant. Une commutation plus rapide des transistors augmente le courant et peut également nécessiter une augmentation de la tension, et faire l’un ou l’autre augmentera la puissance. Les limites de puissance sont souvent le facteur de limitation des performances le plus important. Ainsi, les processeurs modernes basés sur l’architecture x86 ont tendance à être limités en puissance plutôt qu’en fréquence avec de lourdes charges de travail. Lorsque le processeur fonctionne, la puissance consommée est convertie en chaleur. Les fabricants fixent pour leurs produits des températures maximales de puce qui doivent être respectées. Le maintien de cette limite de température est une tâche importante pour l’entité de gestion de l’énergie dans le processeur.

Puissance de fuite

Un autre principe de base des transistors au silicium est qu’ils fuient le courant à travers les jonctions et vers le substrat (Kaushik, 2003). La quantité de courant de fuite dans un processeur d’un type de processus particulier variera largement en fonction de la tension et de la température appliquées et elle peut devenir très importante dans les processeurs haute performance d’aujourd’hui. Tout ce courant de fuite crée une puissance supplémentaire qui doit être comptabilisée dans la consommation électrique totale du dispositif. Naturellement, la puissance de fuite réduit efficacement la quantité de l’enveloppe de puissance totale du dispositif qui peut être consommée comme puissance active.

Densité de puissance de charge

Pour comprendre le comportement de la gestion de l’énergie dans les microprocesseurs complexes, il faut également comprendre le concept de densité de puissance de la charge de travail. Ce concept signifie essentiellement que des charges de travail différentes génèreront des quantités différentes de consommation d’énergie dans le processeur, même à un même niveau d’utilisation. A titre d’exemple, on peut imaginer qu’un calcul complexe en virgule flottante déclenchera plus d’activité de transistor dans le CPU qu’une simple opération de déplacement de données. La différence potentielle de puissance entre les charges de travail devient encore plus importante si l’on considère que presque tous les microprocesseurs x86 vendus aujourd’hui sont multi-coeurs, et que la plupart ont intégré de nombreuses autres fonctions qui étaient auparavant externes. L’intégration de l’unité de traitement graphique (GPU) est la plus importante, car il s’agit d’un très grand noyau de traitement à lui seul.

Définition des limites de puissance

La définition de la consommation d’énergie maximale est un point de départ commun lors de la définition des modèles de processeurs. Les fabricants choisissent les niveaux de puissance pour répondre aux divers cas d’utilisation avec des restrictions de puissance différentes, et la performance (c’est-à-dire la fréquence) en est largement dérivée. Les processeurs X86 sont largement commercialisés par leur puissance thermique de conception (TDP), même s’il s’agit d’une spécification liée à l’exigence de solution thermique et non d’une puissance électrique maximale que le dispositif peut consommer. Les niveaux de puissance maximale durable seront égaux ou supérieurs à la TDP, selon le produit.

Le contrôleur de gestion de l’énergie du processeur surveille les paramètres clés pour s’assurer que les spécifications du processeur en matière de puissance, de courant et de température maximums ne sont pas dépassées. Si des changements dans le scénario de fonctionnement font qu’un paramètre s’approche de sa limite, le contrôleur doit réduire les performances du processeur pour compenser. Cet étranglement prend généralement la forme d’une réduction de la fréquence de fonctionnement du ou des coeurs consommant le plus de puissance (c.-à-d. le CPU et le GPU), car ce sont eux qui ont le plus d’impact. Ces ajustements peuvent se faire à la milliseconde près, ce qui permet de réagir très rapidement aux changements de l’environnement de fonctionnement ou même de la charge de travail (Howse, 2015). Comme la consommation d’énergie varie en fonction de la charge de travail, on peut comprendre pourquoi il n’est pas toujours possible d’atteindre la fréquence maximale d’un noyau.

Exploitation des variations du dispositif

Le résultat naturel pour le modèle à puissance limitée est que la performance est maximisée pour chaque charge de travail, mais la fréquence n’est pas prévisible avec les changements de charge de travail. Les concepteurs du système peuvent éviter l’étranglement par la température en développant une marge suffisante dans la solution thermique pour s’assurer que la température maximale n’est jamais atteinte. Après tout, le niveau de puissance maximale soutenue est une quantité connue et des limites de débit d’air et de température ambiante peuvent être spécifiées pour le système final. Pourtant, deux échantillons du même modèle de processeur pourraient présenter des différences dans leur puissance de fuite, ce qui ferait qu’une unité atteindrait sa limite de puissance à une fréquence moyenne inférieure même en exécutant une charge de travail identique dans des conditions de fonctionnement identiques. Les fournisseurs exploitent volontiers cette différence en permettant aux unités à faible puissance de fuite de passer plus de temps à une fréquence plus élevée, ce qui donne de meilleures performances. De plus, différentes unités de traitement d’un même modèle peuvent avoir des exigences de tension différentes pour atteindre une fréquence d’horloge donnée. Cette différence peut être exploitée en intégrant des courbes de tension et de fréquence spécifiques à chaque unité de fusion dans chaque partie, ce qui permet au contrôleur de gestion de l’énergie de minimiser la tension du coeur.

En outre, de nombreux cas d’utilisation de PC réels se sont avérés être en rafale, où les applications restent souvent inactives en attendant une entrée de l’utilisateur, puis effectuent une certaine activité avant d’attendre à nouveau. Il peut s’agir d’un utilisateur qui démarre un programme ou qui charge une nouvelle page Web. Certains processeurs profitent de cette situation en définissant une limite de puissance maximale supérieure à la limite de puissance soutenue. Le processeur peut être autorisé à atteindre cette consommation d’énergie plus élevée pendant une courte période de temps qui est "thermiquement insignifiante". Augmenter la limite de puissance de cette façon permet d’augmenter les performances pendant de courtes périodes, ce qui profite aux charges de travail en rafale.

Télémétrie régulatrice

Jusqu’à récemment, la technologie de gestion de la puissance des processeurs s’appuyait sur des courbes de puissance dérivées de mesures de la puissance réelle au moment des essais de fabrication avec une charge de travail de référence. Les valeurs étaient programmées dans le processeur et combinées avec les données de temps d’exécution des moniteurs d’activité complexes dans la logique. Un changement récent observé avec les processeurs AMD est l’utilisation des données de télémétrie de puissance provenant des régulateurs qui alimentent les rails de tension primaires. Les données de tension et de courant en temps réel permettent à l’unité de gestion de l’énergie d’être beaucoup plus précise dans son calcul de la puissance totale. Ainsi, chaque variation de l’unité qui affecte la consommation d’énergie peut être prise en compte avec les circonstances environnementales instantanées (c’est-à-dire la température) et exploitée pour un gain de performance.

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