Как работает автоматическое повышение частот у процессоров Intel и AMD
Содержание
Содержание
За производительность компьютера отвечают не только ядра и потоки. В современных чипах производители управляют частотой и вычислительной мощностью при помощи технологий Intel Turbo Boost и AMD Precision Boost. Но у каждой из них есть свои нюансы и особенности. Чтобы разобраться, как они работают, нужно понять, что такое частота, почему она тактовая, и как это влияет на мощность процессора.
Почему частота «тактовая»?
Если говорить просто, частота — это повторяющиеся действия. Частота указывает только быстроту объекта, но не его производительность. Например, двигатель внутреннего сгорания вращает маховик со скоростью 2000 оборотов в минуту. При этом он может выдавать разную полезную мощность.
С помощью тактов обозначают производительность — количество выполненной полезной работы за одно движение. Чтобы разобраться в значении тактов и частоты, можно обратиться к математике. Например, перед нами находятся два колеса, у одного из них радиус 10 дюймов, у другого — 20 дюймов, поэтому, несмотря на одинаковую частоту вращения, колеса будут иметь разную скорость. В этом случае обороты можно принять за такты, а километраж, который колесо проезжает за один оборот — тактовой частотой или производительностью. Отсюда следует, что просто частота — это не качественное, а количественное обозначение. А частота с указанием такта — это уже показатель производительности. Именно тактовая частота указывает на производительность процессоров.
Регулируемая частота
Процессоры — это микросхемы, которые включают миллиарды транзисторов. Высокая плотность компоновки позволяет уместить в одном квадратном сантиметре электрическую схему размером с футбольное поле. Такая конструктивная особенность ставит жесткие условия для работы электроники.
Так, для эффективной работы процессору приходится динамически управлять тактовой частотой. Это полезно для производительности или, наоборот, для снижения нагрева и потребления, поскольку система балансирует на идеальном соотношении мощности и эффективности.
Фирменные технологии, включая Intel Turbo Boost и AMD Precision Boost, лишь частично отвечают за работу алгоритмов управления частотой, их основная цель — повышение частоты сверх базового значения (разгон). Однако динамическая частота берет начало далеко за пределами процессорных технологий — отправной точкой в формировании частоты процессора является тактовый генератор.
Тактовый генератор
Это микросхема, которая синхронизирует работу компьютерных комплектующих. Другими словами, это точные часы, которые независимо и равномерно отбивают такт за тактом. Основываясь на времени между тактами, остальная электроника понимает, когда и как нужно работать.
В современных системах частота тактового генератора зафиксирована на отметке 100 МГц, хотя и может варьироваться в пределах нескольких процентов, чтобы избежать интерференции собственного излучения с высокочастотным излучением других компонентов.
Множитель
Процессор управляет частотой ядер с помощью множителя. Чтобы получить необходимую частоту ядер, система умножает постоянное значение частоты генератора на необходимое значение множителя. В таком случае динамическая частота касается только процессора, тогда как остальные компоненты подчиняются собственным правилам формирования частоты.
До появления новых процессоров, множитель оставался постоянной величиной, потому что его блокировали на заводе аппаратно. Пользователи довольствовались ручной регулировкой частоты через шину: чем выше частота тактового генератора, тем выше частота ядер. В прошлом комплектующие не требовали предельно стабильной частоты BCLK, а в современных платформах ей уделяют особое внимание.
Например, разгоняя систему через шину, мы не только поднимаем частоту процессора, но и увеличиваем частоту оперативной памяти, графического ядра и даже накопителей. К перепадам частоты чувствителен контроллер твердотельного накопителя: он может сыпать ошибками даже при колебаниях шины на 2-3 МГц от заводского значения. Чтобы избежать этого, производители сделали множитель динамическим.
Как работает автоматическая регулировка частоты
Высокая тактовая частота просто необходима для вычислительной мощности ядер. Однако, лишние мегагерцы не только повышают производительность чипа, но также влияют на энергопотребление, нагрев, стабильность и даже безопасность системы. С появлением мощных процессоров появилась необходимость управлять частотой так, чтобы компьютер работал сбалансированно. Есть нагрузка — есть частота, нет нагрузки — процессор отдыхает и не греет воздух в корпусе.
Сначала динамическая частота использовалась для экономии энергии, позже процессоры научились автоматически разгоняться. Производители процессоров догадались, насколько выгодно выпускать чипы, разогнанные с завода. Поэтому тонкое управление частотой и другими параметрами теперь берут на себя фирменные технологии, такие как Intel Turbo Boost и AMD Precision Boost.
Intel Turbo Boost
История фирменной технологии начинается с процессоров i7 серии 9xx. Это семейство Bloomfield, в модельном ряду которого появились чипы с поддержкой технологии Hyper Threading и, конечно, Intel Turbo Boost.
Первая версия позволяла разгонять процессор всего на 200-300 МГц выше базовой частоты. Это было физическим ограничением: кремний того времени тяжело переваривал разгон, и без существенного повышения температуры и напряжения было сложно взять рекордные цифры в полной нагрузке на все ядра.
Но вместе с развитием полупроводников и техпроцессов процессоры приобрели врожденную способность к хорошему разгону. Теперь поднять частоту на 1 ГГц от базовой не составляет труда даже автоматике, особенно после того, как в Intel доработали фирменную технологию и представили несколько дополнительных алгоритмов. Вторая версия Intel Turbo Boost появилась в процессорах еще в 2010 году и по сей день работает даже в самых совершенных и актуальных чипах семейства Rocket Lake.
Как это работает
С помощью технологии Turbo Boost 2.0 процессор управляет тактовой частотой так, чтобы ядра оставались производительными во всех нагрузках без перегрева и выхода за рамки заводского теплопакета. Правда, есть несколько нюансов. Рассмотрим работу Turbo Boost на процессорах Coffee Lake.
Например, TDP процессора составляет 95 ватт, но при этом система буста позволяет процессору в течение некоторого времени работать с большим энергопотреблением. Эти параметры настраиваются автоматически, а материнские платы на базе Z-чипсетов даже позволяют регулировать их вручную:
Настройки, выделенные красным блоком на скриншоте, относятся к технологии Turbo Boost. Это основные параметры, которые влияют на работу автоматического разгона и задают максимумы для разгона процессора. Параметр «Long Duration Package Power Limit» инженеры Intel называют PL1 — это заводской уровень энергопотребления (TDP), который является опорным для работы Turbo Boost. Для Core i7 9700K значение PL1 составляет 95 ватт.
Для работы буста производитель предусмотрел второе значение — Short Duration Package Power Limit или PL2. Этот параметр влияет на абсолютный предел энергопотребления процессора в нагрузке и бусте на все ядра. Стандартная формула для подсчета этого параметра следующая: PL2 = PL1*1.25
В таком случае «вторая скорость» восьмиядерного 9700K может достигать 120 ватт. По замыслу инженеров, именно столько энергии потребляет процессор в заводском разгоне, чтобы оставаться в безопасных значениях по напряжению и нагреву. Правда, чтобы защитить процессор, режим PL2 может работать только ограниченный промежуток времени, после чего откатывается к потреблению по правилам PL1. Это время обозначается как «Package Power Time Window» или «Tau».
Основываясь на этих лимитах, процессоры Intel регулируют частоту. Например, если теплопакет процессора остается в рамках PL1, то частота будет достигать максимума. Если же процессор нагружен так, что его энергопотребление превышает режим PL1 и достигает PL2, то повышенная частота продержится на высоких значениях только заявленное время Tau, а затем вернется на безопасные значения. Intel неохотно раскрывает подробные параметры, однако энтузиасты смогли раздобыть немного интересной информации о семействе Coffee Lake:
Частота процессора в режиме Turbo Boost подчиняется опорной частоте (тактовый генератор) и значению множителя, а также зависит от параметров энергопотребления процессора. Стоит сказать, что настоящие значения PL2 и Tau не всегда соответствуют тем, которые можно рассчитать или найти в открытых источниках. Например, тот же Core i7 9700K может с лихвой перевалить за 140 ватт и работать, если позволяют система охлаждения и подсистема питания.
А можно еще быстрее?
Новые процессоры Intel поддерживают не только Turbo Boost 2.0, но и несколько «надстроек». Это Turbo Boost Max 3.0, Intel Velocity Boost и Intel Adaptive Boost, которые не заменяют основной алгоритм повышения частоты, а расширяют его функционал.
Intel Turbo Boost Max 3.0 — дополнение к основному бусту. Технология сочетает аппаратные алгоритмы Turbo Boost 2.0 и программные, которые определяют самые быстрые ядра процессора и делегируют им однопоточные задачи. В результате частота удачных ядер может подниматься на 15% выше пределов по Turbo Boost. Кроме хорошего охлаждения и питания, для работы технологии необходим соответствующий процессор, а также Windows 10 последней версии.
Intel Velocity Boost — надстройка над заводским разгоном, а также над Turbo Boost 3.0. Алгоритм следит за температурой и позволяет работать всем ядрам процессора с более высокой частотой, если температура не превышает условного значения. Например, для процессоров Comet Lake это значение соответствует 70 °C. Таким образом, десятиядерный процессор может достигать 4.9 ГГц по всем ядрам, тогда как стандартный буст разгонит процессор всего до 4.8 ГГц.
Intel Adaptive Boost — новая технология, она еще не изучена вдоль и поперек, как остальные, но некоторые подробности уже известны. Первыми поддержку получили процессоры Core i9 11900K и Core i9 11900KF семейства Rocket Lake. Принцип работы нового алгоритма заключается в отслеживании температуры ядер и лимитов энергопотребления. Если все данные сходятся в допустимых пределах, то технология разгоняет ядра еще сильнее, чем обычный Turbo Boost и Velocity Boost, позволяя всем потокам одновременно достигать 5.1 ГГц, вместо 4.7 ГГц в стандартном бусте.
Поддержка технологий регулировки частоты зависит от модели процессора, а также его поколения. Например, Velocity Boost, как и новейший Adaptive Boost, поддерживается только топовыми Core i9, тогда как Turbo Boost 2.0 можно встретить даже в моделях Intel Core i3.
AMD Precision Boost
У красного лагеря свое понимание заводского разгона, которое несколько отличается от конкурентов. Например, AMD не привязывает частоту к целым значениям от шины и может регулировать ее вплоть до 25 МГц, тогда как буст Intel всегда кратен 100 МГц. Отсюда и название Precision Boost — «точный разгон». В то же время, принцип регулировки завязан на лимиты потребления, температуры и частоты почти так же, как и Core.
Двое из ларца
В жизни процессоров AMD было несколько технологий настройки частоты. Прошлые поколения использовали алгоритмы Turbo Core, а с появлением ядер Zen и процессоров Ryzen инженеры придумали технологию Precision Boost, которая позже превратилась в версию 2.0. Принцип работы обеих версий турбобуста идентичен. Разгон ядер подчиняется трем ограничениям: температура, мощность и частота. Если представить их в виде равнобедренного треугольника, как это делают инженеры AMD, то получится так:
Синий треугольник обозначает максимумы для каждого из трех пределов процессора. Сиреневый треугольник показывает, каким образом параметры влияют друг на друга при достижении одного из лимитов. Если проще, то, как только процессор упрется в энергопотребление, частота перестанет повышаться и зафиксируется в пределах 25 МГц от лимита частоты (отмечено черным цветом).
Если же процессор быстрее достигнет максимальной температуры, а не лимита потребления, то частота также остановится на определенном, но не максимальном значении. В то же время, если процессор эффективно охлаждается и не ограничен по питанию, то лимит частоты будет пройден, а максимальная тактовая частота процессора достигнет заводского предела — вершины синего треугольника.
Так работает Precision Boost обеих версий. Единственный минус первой версии PB — жесткое снижение частоты при загрузке более двух ядер. Обратимся к наглядному графику:
Сиреневым цветом обозначена работа Precision Boost первой версии, которая работает следующим образом: когда система нагружает одно или два ядра, алгоритм разгона поднимает частоту на максимум, заложенный в процессор с завода.
В случае, если система нагрузит больше двух потоков, буст резко снизит частоту. Получается, что в таком режиме процессор остается производительным только в однопоточных заданиях, а при одновременной нагрузке хотя бы трех ядер резко теряет вычислительную мощность.
Вторая версия алгоритма Precision Boost 2 меняет подход к управлению частотой в зависимости от нагрузки. Во-первых, новая технология позволяет процессорам работать с более высокими частотами. Во-вторых, при нагрузке на все ядра система не сбрасывает частоту резко, а делает это плавно, от ядра к ядру. На графике это обозначено оранжевой линией.
Впрочем, автоматическая регулировка частоты не ограничена физическими лимитами процессора. AMD заявляет, что алгоритмы Precision Boost 2 стали хитрее, поэтому максимальная частота ядер достигается не только в пределах температуры, напряжения и энергопотребления, но также зависит от задач. Например, в приложениях с невысокой нагрузкой на процессор, ядра будут работать на повышенных частотах, даже если это нагрузка сразу на все потоки. В то же время процессор будет немного снижать частоту в рендеринге и других трудоемких заданиях.
Заводской Boost лучше ручного разгона
Производителям удалось сделать то, к чему пользователи стремились в течение многих лет: современные процессоры работают намного эффективнее предшественников благодаря автоматической частоте. Если раньше энтузиасты настраивали частоту ядер через аппаратные модификации материнских плат и процессоров, то сегодня для настройки достаточно нажать кнопку «Включить» на системном блоке. Остальное за нас сделает автоматика.
Порой она работает эффективнее, чем ручная настройка. Когда мануальный разгон заставляет все ядра работать с одинаковой частотой, турбобуст позволяет разгонять отдельные ядра выше, чем это возможно в ручном режиме. Поэтому однопоточная производительность актуальных чипов показывает неплохие цифры, которых не всегда можно добиться настройками в BIOS.
Более того, заводские алгоритмы повышения частоты следят за состоянием процессора и подсистемы питания, они не позволят электронике работать на пределе стабильности и безопасности. Неопытный пользователь вряд ли обеспечит системе такой уровень качества, настраивая частоту и напряжение на ядрах самостоятельно.
Огромный плюс заводского буста — высокая тактовая частота даже на процессорах с заблокированным разгоном. Поэтому даже бюджетный шестиядерный процессор все еще эффективен в играх и там, где важен показатель IPC — однопоточной производительности.
Интересные цифры. Как росла частота процессоров
Содержание
Содержание
Процессоры для персональных компьютеров прошли огромный путь с 70-х годов прошлого века и до наших дней. Давайте вспомним самые интересные процессоры и то, как росла их тактовая частота год за годом, от 2-4 МГц в 70-х и до 5000 МГц в 2019 году.
Что значат «МГц» процессора?
70-е годы
В конце 70-х годов прошлого века произошел бурный рост рынка процессоров для домашних компьютеров. В те годы еще не были оформлены стандарты компьютерных платформ и каждый производитель старался создать уникальный компьютер. Еще в 1974 году компания Intel выпустила 8-битный микропроцессор Intel 8080, работающий на частоте от 2 до 4 МГц.
Другие производители не заставили себя долго ждать, Motorola представила процессор 6800, работающий на частоте 2 МГц, а годом спустя компания MOS Technology выпускает процессор 6502 с частотой лишь 1 МГц.
В 1976 году на рынок был выпущен процессор Zilog Z80 с частотами от 2,5 до 8 МГц. Это был уже серьезный прирост частоты.
Несмотря на то, что названия этих процессоров мало что говорят современному пользователю ПК, на них была построена масса популярных компьютеров и игровых приставок: микрокомпьютер Altair-8800, Dendy (Nintendo Entertainment System), Apple I, Apple II, Commodore PET и популярнейший Sinclair ZX-Spectrum.
В 1978 году компания Intel выпустила первый 16-битный микропроцессор 8086 с частотами 4 МГц — 10 МГц, его можно назвать прадедушкой процессоров, работающих в наших ПК и основателем платформы PC компьютеров.
80-е годы
Далее произошел скачек производительности процессоров с выходом Intel 80286 в 1982 году. Он работал на невысоких частотах — от 6 МГц, до 12,5 МГц. А вот последующий за ним Intel 80386 в 1985 году принес большой рост и производительности, и частоты, которая доходила до 40 МГц. AMD уже тогда выпускала конкурентов — процессор Am386DX на 40 МГц.
В 1989 году выходит Intel 80486 с частотами 25 МГц — 50 МГц.
90-е годы
Знаменитые процессоры Pentium, на базе архитектуры P5, выходят в 1993 году с частотами 60 МГц или 66 МГц и достигают огромных, по тем меркам, частот в 100-233 МГц у Pentium MMX, к концу 90-х годов. Параллельно развиваются процессоры PowerPC, DEC Alpha и некоторые другие, но они мало интересны пользователям ПК.
Постепенно накапливающиеся технологические и инженерные успехи приводят в 1995 году к смене архитектур и на рынок выходит архитектура P6 — CISC-платформа с RISC-ядром. На ней работает знакомый многим Pentium II, вышедший в 1997 году и имевший частоты до 450 МГц. А Pentium III, пришедший ему на смену в 1998 году, уже работал на частоте от 600 МГц (ядро Katmai), до 1130 МГц на ядре Coppermine в 1999 году.
1000 МГц был впечатляющей планкой в 1999 году и перепрыгнуть ее первой старались и Intel и AMD. AMD выпустила новейший процессор Athlon, работающий на частоте 1000 МГц, 6 марта 2000 года и первой покорила рубеж 1000 МГц. Intel не хватило всего 2 дня для победы, она выпустила процессор Pentium III с частотой 1000 МГц 8 марта 2000 года.
2000-е годы
В 2001 году процессоры Pentium III получили ядро Tualatin и частоты до 1400 МГц. У AMD в это время были очень удачные процессоры Athlon и Duron на ядре Thunderbird с частотами до 1400 МГц. Поскольку частоты перевалили за 1000 МГц, теперь проще называть их гигагерцами (ГГц).
Дальше началась захватывающая война между Pentium 4 от Intel и Athlon XP от AMD. Pentium 4 начал с 1.4 ГГц в 2000 году и быстро дошел до 2 ГГц в 2001 году. Athlon XP в 2001 году смог покорить 1,6 ГГц. Так как производительность на МГц у него была выше, AMD ввела так называемый P-рейтинг, который показывал производительность процессоров Athlon XP относительно сопоставимого по мощности процессора Pentium 4 от Intel. Поэтому модель с реальной частотой 1.6 ГГц имела обозначение 1900+.
В 2002 году Pentium 4 достигли частот 3 ГГц, в 2003 — 3.2 ГГц, в 2004 — 3.4 ГГц, в 2005 — 3.8 ГГц. На этом диапазоне частот хотелось бы заострить внимание, во-первых, заметно резкое замедление прироста частот. Процессоры уперлись в технологический потолок, даже сейчас большинство выпускаемых моделей имеют частоты из диапазона 3.2-3.8 ГГц, а ведь достигнуты они были 15 лет назад.
С трудом современные массовые процессоры перевалили потолок в 4 ГГц и сейчас штурмуют 5 ГГц. Intel Core i9-9900KS — первый процессор, который с заводскими настройками работает на частоте 5 ГГц по всем ядрам.
В 2006 году процессор Intel Pentium D960 работал на частоте 3.6 ГГц, Athlon 64 FX-60 на ядре Toledo, на 2.6 ГГц. Гонка частот практически остановилась.
Последующие Core 2 Duo и Core 2 Quad работали все на тех же частотах, что и предшественники. Процессоры Intel Core i3/i5/i7 на микроархитектуре Bloomfield, Gulftown, Sandy Bridge, Ivy Bridge, тоже работали на частотах до 4 ГГц.
2010-е годы
У AMD сменились процессоры Athlon 64 X2, Athlon II, Phenom, Phenom II, не выходя за рамки 4 ГГц. В 2011 году процессоры на архитектуре Bulldozer смогли в турбобусте покорить частоты выше 4 ГГц. У Intel первыми это смогли сделать Core i7 4790K, на ядре Haswell, в 2014 году.
AMD и Intel вели жестокую борьбу за рынок процессоров и цифра 5 ГГц была очень важна. Битва за нее развернулась нешуточная, и победила в ней AMD с FX-9590 на ядре Vishera в 2013 году.
Но это была чисто маркетинговая победа, FX-9590 имел ужасающее энергопотребление в 220 ватт и плачевную производительность. Это не позволило ему стать массовым. Intel смогла достичь заветной цифры в 5 ГГц процессором Core i7-8086K на ядре Coffee Lake лишь в 2018 году.
Наши дни
На сегодняшний день массовые процессоры AMD Ryzen 3000-й серии и Intel Coffee Lake Refresh имеют частоты по всем ядрам в районе 3.9-4.7 ГГц и постепенно подбираются к 5 ГГц при нагрузке на все ядра. 2020 год обещает быть насыщенным в плане анонса новых процессоров, посмотрим, какие частоты покажут AMD Ryzen 4000-й серии и Intel Core десятого поколения.
Может быть, цифра 5 ГГц наконец-то станет массовой, и процессоры начнут покорять 6 ГГц?
В следующих блогах цикла «Интересные цифры» я расскажу о росте частот графических процессоров, объема ОЗУ и жестких дисков персональных компьютеров.
