AMD Athlon 64 — новое решение для создания бесшумного ПК
Появлению новой линейки процессоров компании Advanced Micro Devices (AMD) для настольных систем, построенных на основе архитектуры AMD64, было уделено немало внимания как на страницах нашего журнала, так и в других печатных и онлайновых компьютерных изданиях. И это вовсе не удивительно — ведь новые процессоры компании AMD произвели настоящий фурор, нарушив устоявшийся баланс сил на рынке процессоров и смешав планы конкурентов.
ри
разработке этих процессоров специалистам AMD удалось реализовать ряд новшеств
в архитектуре процессорного ядра, позволивших их детищу в очередной раз переиграть
своих конкурентов на их же поле, используя их же оружие, как это уже было однажды
при появлении ядра К7, когда процессоры компании AMD, основным недостатком которых
до того момента была низкая производительность блока FPU, «вдруг» обрели остающийся
и по сей день лучшим блок выполнения операций с плавающей запятой (точкой).
И свежи еще воспоминания о последовавшей за этим поистине фантастической популярности
процессоров AMD Athlon. Применительно же к новым процессорам AMD Athlon 64 одним
из его козырей, можно сказать выхваченным из рук конкурентов, стала реализация
поддержки инструкций SIMD-расширений SSE2 и технологии Cool’n’Quiet. Ни для
кого не секрет, что основными недостатками процессоров семейства AMD Athlon/Duron/Athlon
XP, на который столь часто указывали оппоненты, были отсутствие поддержки SSE2
и якобы серьезные проблемы с тепловыделением и термоконтролем процессорного
ядра. Правда, по большому счету, и первое и второе обвинение вполне можно оспорить,
поскольку до последнего времени лишь очень немногие приложения были оптимизированы
для использования SSE2 и способны были в полной мере прочувствовать те преимущества,
которые сулит применение этих инструкций SIMD-расширений, в то время как проблема
термоконтроля была частично решена уже в процессорах семейства AMD Athlon XP
— за счет реализации на ядре термодиода (хотя обработку получаемого от него
сигнала должно было выполнять внешнее устройство, интеграция которого на материнской
плате перепоручалась производителям системных плат). Все эти недостатки были
учтены при разработке нового ядра. Они были не просто устранены, а более того
— специалистами компании AMD были предложены решения, превосходящие по своим
возможностям все существующие на данный момент решения конкурентов. Так, что
касается поддержки SSE2, то она не только в полной мере реализована в новых
процессорах с архитектурой AMD64, но и, вдобавок к этому, количество регистров,
применяемых исполнительным блоком для реализации этих SIMD-инструкций, увеличено
вдвое (с 8 до 16). Наибольший же интерес, на наш взгляд, представляет подход
к термоконтролю и энергосбережению, предложенный для новых процессоров AMD специалистами
компании. Максимально полно этот подход нашел свое воплощение в процессорах
для настольных систем — AMD Athlon 64. Это первые десктопные процессоры, для
которых была реализована технология динамического изменения тактовой частоты
и напряжения питания ядра в зависимости от вычислительной нагрузки. Данная технология
получила красноречивое название Cool’n’Quiet (холодный и тихий), полностью отражающее
ее сущность и назначение. Тем, кто знаком с технологиями энергосбережения, реализуемыми
в процессорах для мобильных систем, такой подход вовсе не покажется новым —
ведь подобные решения, будь то AMD PowerNow! или Intel Enhanced SpeedStep, уже
давно в ходу. Однако для настольных систем это нововведение можно назвать революционным,
тем более что в данном случае, на наш взгляд, несколько смещены акценты в самой
идеологии применения динамического управления тактовой частотой и напряжением
питания ядра, поскольку это делается прежде всего для обеспечения оптимальной
схемы термоконтроля, а не оптимальной схемы энергопотребления. Под оптимальной
схемой термоконтроля понимается обеспечение оптимального температурного режима
работы процессорного ядра, при этом динамическое изменение напряжения питания
ядра позволяет уменьшить тепловыделение процессора при снижении его загрузки
(это реализация первой составляющей технологии Cool’n’Quiet — Cool), что, в
свою очередь, позволяет варьировать скорость вращения вентиляторов охлаждения
процессорного радиатора (таким образом достигается реализация второй составляющей
технологии Cool’n’Quiet — Quiet). Попытаемся слегка приоткрыть завесу тайны
над тем, какие именно механизмы стоят за понятием «технология Cool’n’Quiet».
В процессорах семейства AMD Athlon 64 поддерживается ряд режимов управления
питанием, совместимых со спецификацией Advanced Configuration and Power Interface
(ACPI) и технологией HyperTransport. Речь идет как об уже ранее поддерживаемых
процессорами AMD Athlon режимах Halt и Stop Grant, так и о новом для настольных
систем режиме переключения производительности процессора P-State (Processor
Performance State Transition). При отсутствии загрузки (что устанавливается
исходя из необходимости процессора просматривать кэш) центральный процессор
по команде HLT переходит в режим Halt; процессор при этом не выполняет никаких
вычислительных задач, то есть останавливается и запускается Halt-цикл. Тактовая
частота процессора автоматически увеличится до максимального значения, как только
будет выявлена активность, а при простое процессор вновь вернется в режим пониженного
потребления энергии. Выход из режима Halt осуществляется в ответ на сообщение
об отмене команды PWROK, команды RESET_L, INIT, NMI, SMI или на любое немаскированное
прерывание, полученное по шине HyperTransport. Если во время нахождения в состоянии
Halt процессор получил сообщение о подтверждении команды STPCLK, он переходит
в режим Stop Grant и запускает специальный цикл Stop Grant. Механизм энергосбережения,
связанный с режимом Stop Grant, подразумевает следующее:
• применение делителя тактовой частоты процессора в зависимости от его загрузки. Так, если определяется, что процессору требуется обращение к кэш-памяти, в то время как он находится в состоянии Stop Grant, то тактовая частота процессора повышается. Когда же активность снижается, тактовая частота вновь понижается;
• в ответ на сообщение о подтверждении команды LDTSTOP_L происходит следующее:
- перевод памяти в режим саморегенерации,
- понижение частоты контроллера памяти,
- переход в режим P-State,
- изменение ширины и/или частоты шины HyperTransport.
Режим переключения производительности процессора P-State подразумевает использование ряда допустимых комбинаций частоты процессора и напряжения питания процессорного ядра. Переключения в режиме P-State осуществляются через протокол FID_Change. Для поддержки этого протокола процессор имеет два регистра MSRs (Model-Specific Registers): FIDVID_CTL и FIDVID_STATUS. Регистр FIDVID_CTL позволяет программному обеспечению определять, в какое состояние P-State перейдет процессор, и инициировать этот переход, а регистр FIDVID_STATUS позволяет ПО определять, когда переключение в режиме P-State будет закончено.
Хочется обратить особое внимание на то, что переключения P-State не могут осуществляться при использовании регистровой DDR SDRAM-памяти из-за необходимости дополнительных задержек при обращении к памяти при изменении частоты, возникающих вследствие использования PLL (Phase Locked Loop). Именно это является главной причиной отсутствия поддержки столь интересной и полезной для домашнего пользователя технологии Cool’n’Quiet у процессоров AMD Athlon 64 FX, которые для своей работы требуют использования регистровой памяти.
Для процессоров семейства AMD Athlon 64 определены три состояния в режиме P-State:
• режим соответствующей максимальной производительности — Max P-State;
• режим минимального тепловыделения, а соответственно и минимальной производительности — Min P-State;
• промежуточный режим — Intermediate P-State.
Для создания лучшего представления о тепловом режиме и энергопотреблении новых процессоров компании AMD в таблице приведены некоторые показатели для этих характеристик для процессора AMD Athlon 64 3200+ (тактовая частота 2 МГц)
При этом отметим, что в режиме Halt/Stop Grant рассеиваемая процессором мощность снижается до 2,2 Вт, а максимальная температура процессора (корпуса процессора) опускается с 70 до 50 °С. Для полноты описания механизмов энергосбережения и термоконтроля, реализованных в процессорах AMD Athlon 64, необходимо сказать несколько слов об интегрированном на ядре термодиоде. Итак, новые процессоры компании AMD имеют интегрированный термодиод, анод и катод которого выведены на цоколевку процессора. Данные, полученные благодаря этому диоду, могут обрабатываться внешними устройствами термоконтроля, интегрированными на материнской плате, что позволит точно определять температуру процессорного ядра. Кроме того, процессор AMD Athlon 64 имеет аппаратные средства, реализующие механизм тепловой защиты. Так, в случае если температура процессора превышает определенное критическое значение, данный механизм выдает команду THERMTRIP_L и останавливает подачу тактовых импульсов.
Обобщая все вышесказанное по поводу возможностей управления питанием, реализованных в новых процессорах AMD Athlon 64, можно выделить следующее: помимо существовавших ранее в десктопных процессорах режимов энергосбережения, подразумевавших останов процессора с прекращением выполнения всех задач, появились режимы, при которых, в зависимости от загрузки процессора, его тактовая частота и напряжение питания ядра могут быть понижены, однако выполнение текущих задач при этом прервано не будет.
Итак, с процессором все более или менее ясно, однако достаточно ли этого для того, чтобы пользователь получил доступ ко всем преимуществам новой технологии Cool’n’Quiet? Отнюдь нет, одних только возможностей процессора для этого недостаточно. Для реализации этой технологии требуется поддержка ее как материнской платой на уровне базовой системы ввода-вывода (BIOS), так и операционной системой (на уровне драйвера процессора). И это только в том, что касается составляющей Cool (то есть управления энергопотреблением, а как следствие, и тепловыделением процессора). Составляющая же Quiet (то есть обеспечение тишины) полностью отдана на откуп производителям системных плат, которые для управления вентиляторами охлаждения системы используют свои фирменные технологии и разработки. Однако обо всем по порядку. Что же именно требуется пользователю, чтобы его система, построенная на основе процессора AMD Athlon 64, была способна в полной мере реализовать возможности технологии Cool’n’Quiet? Во-первых, сам процессор должен поддерживать данную технологию, что можно выяснить, внимательно изучив его маркировку. Две последние буквы в маркировке таких процессоров — это «АР» (рис. 1).
Во-вторых, необходима поддержка этой технологии в BIOS материнской платы. Пока еще не все системные платы могут этим похвастаться, так что при выборе материнской платы следует поинтересоваться, существует ли для той или иной модели «прошивка» BIOS, реализующая поддержку технологии Cool’n’Quiet. Если поддержка этой технологии имеется, то ее, естественно, требуется активизировать через меню установок BIOS Setup, хотя при этом следует иметь в виду, что такого пункта в меню может и не оказаться, однако схема управления питанием P-State, как и подразумевает технология Cool’n’Quiet, в то же время будет поддерживаться по умолчанию (рис. 2).
Кроме того, если вам необходимо не только получить эффект экономии электроэнергии, но и снизить шум своего компьютера (что, по большому счету, и является назначением технологии Cool’n’Quiet), то вам следует включить в BIOS одну из схем управления скоростью вращения вентиляторов охлаждения, при том что установленные вентиляторы, естественно, должны быть управляемыми. Технология управления вентиляторами, реализованная на плате, должна быть непременно интеллектуальной, то есть способной изменять скорость их вращения в зависимости от температуры, а не просто вводить жестко заданную скорость вращения вентиляторов, давая пользователю возможность выбирать ее величину в процентах от максимального значения (как это делает ряд производителей).
В-третьих, требуется установить новый драйвер для процессора AMD Athlon 64 (рис. 3).
И последнее, что необходимо сделать для того, чтобы наконец-то вкусить плоды своих трудов по активизации технологии Cool’n’Quit, — включить одну из схем управления питанием, но только ни в коем случае не Always On или Home/Office Desk (рис. 4).
Для того чтобы на практике оценить эффективность и возможности технологии Cool’n’Quiet, нами был собран тестовый стенд, в качестве основы для которого была выбрана системная плата Fujitsu-Siemens Computers D1607-G. Выбор именно этой материнской платы был вовсе не случаен, так как именно компания Fujitsu-Siemens Computers разработала для своих системных плат одну из эффективнейших на данный момент технологий управления скоростью вращения вентиляторов — технологию Silent Fan, о которой мы уже подробно рассказывали на страницах нашего журнала (см. КомпьютерПресс № 8’2003, «Системные платы Fujitsu-Siemens Computers»). Кстати, следует отметить, что системная плата Fujitsu-Siemens Computers D1607-G является примером того, когда меню установок BIOS Setup не имеет пункта, позволяющего явно включить или отключить поддержку технологии Cool’n’Quiet, и, тем не менее, эта технология поддерживается базовой системой ввода-вывода и активизирована по умолчанию. Для того чтобы оценить, каким образом будет работать исследуемая технология при типичной работе пользователя, мы воспользовались популярным тестовым пакетом VeriTest, имитирующим во входящих в него тестах Business Winstone 2002 v. 1.0.1 и Multimedia Content Creation 2003 v. 1.0 интенсивную работу с популярными офисными и мультимедийными приложениями соответственно. При этом с помощью возможностей Monitoring performance операционной системы Windows XP отслеживались загрузка процессора и его тактовая частота. Тесты запускались для двух схем управления питанием Always On и Portable/Laptop.
Результаты мониторинга приведены на рис. 5, 6, 7 и 8, где, как не трудно догадаться, график синего цвета соответствует изменению тактовой частоты процессора (в процентах от максимального значения), а зеленым показана загрузка процессора. Проведенное исследование наглядно показывает, что технология Cool’n’Quiet действительно работает, причем весьма эффективно. При этом на графиках можно отчетливо отследить те три значения тактовых частот центрального процессора, что соответствуют трем режимам P-State, о которых говорилось выше. И действительно, при низкой загрузке процессор работал с тактовой частотой, составляющей 40% от максимального значения, что для используемого нами процессора AMD Athlon 64 3200+ соответствует 800 МГц. При средних значениях нагрузки процессор работал с частотой равной 90% от ее максимально возможного значения, но, судя по графикам, на практике процессор довольно редко подолгу находится в этом режиме. Чаще он все же стремится перейти в режим с максимальной или минимальной тактовой частотой, что соответствует режимам энергосбережения ACPI — Max P-State и Min P-State. Хочется особо отметить тот факт, что результатом удачного сочетания двух технологий термоконтроля, Cool’n’Quiet и Silent Fan, стало то, что большую часть времени выполнения тестов (следует еще раз настоятельно подчеркнуть: имитирующих интенсивную работу с приложениями) вентилятор охлаждения процессора был… неподвижен. Для охлаждения центрального процессора было вполне достаточно и пассивного охлаждения посредством радиатора (нами использовался кулер, входящий в «боксовый» комплект поставки процессора AMD Athlon 64 3200+).
Чтобы более точно зафиксировать параметры работы центрального процессора при различных уровнях его загрузки, мы воспользовались утилитой CPU Grabber. Данная утилита позволяет варьировать утилизацию процессора от 0 до 100%, хотя справедливости ради следует отметить, что стабильный уровень загрузки центрального процессора удалось создать лишь для утилизации в диапазонах от 0 до 10, от 50 до 60 и для 100% загрузки. С помощью утилиты CPU Grabber поочередно создавались три уровня утилизации процессора: 0-5; 60; 100%.
При этом временная диаграмма переключения тактовой частоты процессора имела вид, приведенный на рис. 9.
Наряду с этим для каждого уровня утилизации с помощью утилиты CPU-Z уточнялись рабочие характеристики центрального процессора (рис. 10, 11 и 12).
Таким образом, результаты выполненных тестов позволяют с уверенностью констатировать тот факт, что все приведенные теоретические выкладки полностью подтверждаются практикой. В заключение можно сказать следующее: вопрос о степени необходимости технологии Cool’n’Quiet для персонального компьютера решать, бесспорно, конечным пользователям. Но, на наш взгляд, эта технология заслуживает самого пристального внимания, а данный подход, предложенный специалистами компании AMD для обеспечения оптимального температурного режима компьютерной системы и, как следствие, для снижения шума, производимого в результате ее работы, имеет огромное преимущество перед дорогими и не всегда эффективными на практике ухищрениями типа разнообразных систем охлаждения и внешнего термоконтроля, предлагаемых сегодня на компьютерном рынке.
