Как работают энергосберегающие функции в Skylake

Шестое поколение процессоров Intel Core, известное под названием Skylake, может использоваться в вычислительных устройствах разных типов: от планшетов до настольных компьютеров. По сравнению с предшественником Broadwell, у вас будет, например, на час больше времени, чтобы смотреть фильмы на ноутбуке без подзарядки, получая при этом более качественное изображение.

Для выполнения таких обещаний компания Intel всерьез взялась за дело и встроила несколько интересных новых энергосберегающих функций. При этом Intel совершенствует две важные области: одна включает в себя механизмы энергосбережения, которые опираются только на аппаратное обеспечение Skylake и функционируют независимо от программного обеспечения. Ко второй же относятся специальные энергосберегающие опции, выгоду от которых получат только пользователи Windows 10.

Более совершенные механизмы

В Skylake Intel опирается на традиционные методы для реализации энергосберегающих функций внутри процессора. Одна из них звучит так: «отключить все ненужное». Так называемая технология Power Gating просто отключает все ненужные компоненты от питания. Power Gating можно представить как тумблерный выключатель на удлинителе. Новшеством является то, что Skylake управляет специфическими «доменами питания» (Power Domains) и использует очень много маленьких «энергетических шлюзов» (транзисторов Power Gating). Они определяют, насколько обширно программы используют функциональные единицы центрального процессора и используют ли вообще.

Следуя принципу «лучше меньше, да лучше», Skylake уменьшает ассоциативность кэша L2 с восьмикратной до четырехкратной — так резервируется меньше областей для промежуточного запоминания, что приводит к небольшой потере производительности, но экономит энергию. Кроме того, используемый еще в Broadwell преобразователь напряжения снова перенесен на материнскую плату, что снижает нагрев процессора. Такие вычислительные операции, как кодирование видео, ускоряются на аппаратном уровне специальными элементами процессора, и это тоже экономит электроэнергию. В случае со Skylake это, в первую очередь, относится к встроенному графическому процессору, который снимает с процессорных ядер нагрузку по декодированию видео новых форматов, например, Н.265.

До 60 % меньше мощности требуется некоторым новым моделям Skylake при таком же, как у предшественников, уровне производительности

Однако эти энергосберегающие функции несколько меркнут в сравнении с теми усовершенствованиями, которые возможны в сочетании с Windows 10. Важнейшей функцией является Speed Shift. Преемник технологии Speed Step встраивается в Windows 10, начиная со сборки 10.586. Речь идет о том, как процессоры переходят к выполнению следующей операции, и, прежде всего, о том, кто это контролирует: центральный процессор или операционная система.

Исторически процессоры Intel поддерживают несколько режимов работы (P-state) в зависимости от того, сколько ресурсов требуется для решения вычислительной задачи. Уровни P-state определяют тактовую частоту и рабочее напряжение, при этом статус Р0 означает, что процессор работает в режиме максимальной производительности, затем мощность уменьшается с Р1, Р2 до Pn. Если центральный процессор при активной Speed Step находится в стадии холостого хода, тактовая частота и напряжение снижаются до соответствующего Pn уровня.

В течение примерно 30 миллисекунд быстродействие может быть увеличено, если этого требует программа. При этом Windows определяет, какой Р-статус использует процессор между 1 и n. И только последнюю каплю мощности (ускорение в режиме автоматического разгона в режиме Р0) контролирует центральный процессор.

В рамках Speed Shift операционная система Windows 10 передает контроль за данным процессом центральному процессору. Windows больше не определяет самостоятельно P-state, а только указывает, когда требуется минимальное и максимальное быстродействие. На какой именно частоте работать, определяет центральный процессор. Преимущество такой технологии состоит в том, что алгоритм переключения аппаратного обеспечения работает гораздо быстрее, чем Speed Step. Со Speed Shift переход с одного уровня быстродействия на другой происходит в течение всего одной миллисекунды.

Для пользователя это ощутимую снижает время отклика, то есть система реагирует быстрее на его запросы. Кроме того, это экономит электроэнергию, так как система быстрее переключается в энергосберегающий режим. Для большей согласованности в Windows 10 интегрирована Energy Estimation Engine (см. справа), которая постоянно анализирует энергопотребление и составляет прогноз на основании этих данных.

Отличная координация с Windows 10

Второй новой энергосберегающей функцией, работающей в тесной связке с Windows 10, является Duty Cycle Control. Идея состоит в следующем: существует уровень мощности, начиная от которого уже нецелесообразно замедлять работу процессора, иначе у пользователя сложится впечатление, что система больше не работает плавно. С Duty Cycle Control процессор очень быстро (каждые 800 микросекунд) переключается на более высокую частоту, отрабатывает назначенные задачи и потом ненадолго полностью отключается, только для того чтобы потом снова работать еще быстрее. В итоге получается, что задачи решаются быстрее, и при этом экономится еще больше энергии, чем при более медленной и продолжительной обработке.

Важной функцией для пользователей, которые почти никогда не выключают свои устройства, является режим ожидания. Здесь Skylake расширяет возможности Windows 10. Microsoft называет это «современным режимом ожидания». Сюда входит три режима: уже известный режим S3 (Suspend to RAM), который дополняет режим Connected Standby (S0), начиная с Windows 8. При этом компьютер также потребляет очень мало энергии, но быстрее приходит в рабочее состояние и даже принимает сообщения в режиме сна. Со Skylake теперь появляется и третья опция — Disconnected Standby. В нем компьютер также быстро реагирует (время перехода в активную стадию составляет 500 мс), но в отличие от Connected Standby не нуждается в SSD и специальном сетевом аппаратном обеспечении на материнской плате.

Снижение энергопотребления

Центральные процессоры Intel Skylake используются в различных устройствах для экономии электроэнергии. При этом у них есть функции, которые полностью работают на аппаратном уровне, а от других функций на данный момент выигрывают только устройства с Windows 10.

Оптимальное управление частотой

Duty Cycle: центральный процессор переключается на «оптимальную частоту», а потом полностью отключается. Это эффективнее, чем снижение тактовой частоты при ограниченном энергопотреблении (TDP).

Speed Shift: Windows 10 передает контроль над уровнями мощности центрального процессора алгоритмам аппаратного обеспечения. Это позволяет переключаться быстрее (1 мс), чем с предшествующей технологией Speed Stepping (30 мс).