Haswell: новое слово Intel

Чипы нового поколения от Intel при высокой производительности потребляют очень мало электроэнергии. Это стало возможным благодаря совершенствованию подхода «что не используется, подлежит отключению». CHIP расскажет о процессорах Intel Core четвертого поколения Мобильные компьютеры нуждаются в процессорах, которые лишь при необходимости выдают максимальную производительность, а при простое отключаются. Ведь никто из нас не хочет заряжать свой ноутбук или планшет каждые два часа. До настоящего момента чипы Intel Core i не были в этом сильны: решения на базе микроархитектур Sandy Bridge и Ivy Bridge работают очень быстро, однако они предоставляют ограниченные возможности по управлению энергопотреблением. Данную ситуацию исправят CPU следующего поколения — чипы на базе микроархитектуры Haswell. Новые процессоры, прежде всего, будут потреблять меньше электроэнергии: цель инженеров Intel — TDP на уровне 8–10 Вт. Таким образом, Haswell приблизится к наиболее экономичным планшетным чипам (с TDP от 3 до 5 Вт), и это при значительно более высокой производительности.

Новые режимы работы

Благодаря новым режимам энергосбережения процессор на базе микроархитектуры Haswell способен очень быстро включаться и выключаться как полностью, так и на уровне вычислительных блоков. Энергосберегающие режимы используются уже довольно продолжительное время: промышленный стандарт Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) устанавливает для системы и процессора различные состояния сна (S-State и C-State) — начиная с S0, в котором все компоненты компьютера включены и активны, и заканчивая S6, при котором все они переходят в состояние сна. При повседневном использовании актуален прежде всего вариант S3 — режим ожидания, при котором процессор практически полностью отключается, а текущее состояние системы сохраняется в оперативной памяти (Suspend to RAM). Для CPU стандарт ACPI предусматривает спектр состояний от C0 (все компоненты включены) до C6, в котором кеш-память (первого и второго уровня) освобождается от данных и отключается, а текущее состояние ядра сохраняется в оперативной памяти. В конечном счете отключается и само ядро.

Проблема перехода из S0 в S3 в привычном для процессоров Intel предыдущего поколения виде заключается в том, что он длится слишком долго (до секунды). Поэтому в данном случае частые переключения компонентов в режим ожидания нецелесообразны. Ведь компьютер должен быть способен мгновенно приступить к выполнению задач с максимальной производительностью. В Haswell компанией Intel были предусмотрены дополнительные состояния энергосбережения, которые представлены в виде аббревиатуры S0ix. S0 указывает на то, что различные системные компоненты находятся в скрытом активном состоянии, а «х» — это глубина состояния сна. Переключение между различными режимами системы (S-State) длится всего несколько миллисекунд, поэтому может осуществляться намного чаще. В повседневной работе Haswell редко будет находиться в состоянии S0: вероятнее всего, процессор будет переключаться между S0i1 и S0i3. Так, в состоянии S0i1 различные системные компоненты не отключаются, а переводятся в режим ожидания, при котором оперативная память в случайном порядке обновляет свое активное содержимое, текущее состояние транзисторов графического чипа и видеоплаты замораживается и прекращается подача электроэнергии на неиспользуемые транзисторы.

БЫСТРАЯ СМЕНА РЕЖИМА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ До настоящего момента все процессоры Intel поддерживали только два состояния — S0 (включен) и S3 (выключен), а переход из одного в другое длился довольно долго. В Haswell используются новые состояния энергопотребления — S0ix, которые позволяют чаще и быстрее активировать необходимые вычислительные блоки, переводить их в режим ожидания или полностью отключать.

БОЛЬШЕ КОМПОНЕНТОВ В РЕЖИМЕ ОЖИДАНИЯ В повседневной работе процессор Intel Haswell, как правило, находится в состоянии S0i1 или S0i3, когда пользователь проявляет невысокую активность. Переход из S0i1 в состояние полной активности занимает лишь доли секунды, так как компоненты не полностью отключены, а находятся в режиме ожидания. То, насколько активен при этом процессор, зависит от состояния энергопотребления (C-State, см. ниже), в котором он пребывает.

Высокая энергоэффективность

В дополнение к режимам S0ix процессор Haswell получил новые состояния энергопотребления (C7–С10), которые снижают расход энергии CPU до ничтожно малой доли. Они учитывают структуру современных многоядерных процессоров, в которых кеш-память последнего уровня (LLC) и системный агент составляют большую часть поверхности процессора. LLC служит в качестве промежуточной памяти, к которой получают доступ все ядра и графический адаптер, а системный агент выполняет функцию интерфейса между чипом и системой. В состоянии C7 процессор помимо ядер может отключать и LLC, если в ней отсутствуют данные. В противном случае LLC и системный агент переводятся в режим ожидания. Состояния энергопотребления C8, C7 и C10 поддерживаются мобильными версиями процессора Haswell ULT для ультрабуков и, предположительно, планшетов под управлением Windows 8. Здесь данные из LLC удаляются, после чего кеш-память и системный агент отключаются, а напряжение снижается практически до нуля.

ОТКЛЮЧЕНИЕ ВСЕХ МОДУЛЕЙ ПРОЦЕССОРА До настоящего момента CPU поддерживали режимы энергосбережения от C0 (активны все ядра) до C6 (все отключено). В Haswell появились дополнительные состояния С7–С10, которые позволяют отключать кеш-память последнего уровня (LLC) и системный агент (управляет компонентами процессора). Благодаря этому потребление энергии в режиме ожидания сокращается в несколько раз.