Для ноутбуков экономия энергии - проблема очевидная, над ее решением разработчики бьются давно. Ноутбук должен работать автономно, без подключения к сети. Но заряд батареи ограничен. Чем меньше потребляют компоненты мобильного компьютера, а в особенности процессор, самый "прожорливый" блок, тем большее время автономной работы будет обеспечено. Так называемые мобильные процессоры с самого начала содержали различные технологии, позволяющие снизить энергопотребление. Но для настольных систем на первое место всегда ставилась производительность. Об экономичности никто до сих пор не задумывался. Но пришлось.

Очевидно, что чем выше тактовая частота процессора, тем больше он потребляет. Мощные современные процессоры способны потреблять более 100 Вт (при полной загрузке, конечно). Потраченную на вычисления энергию процессор отдает в окружающую среду. Чтобы эффективно отводить тепло, разработчики предлагают все более мощные системы охлаждения. Одного кулера на процессоре уже недостаточно: нужно добавить вентилятор в корпус (а лучше два - на приток и на вытяжку), а также обеспечить охлаждение винчестера, чипсета и VRM (стабилизатора напряжения) материнской платы. В результате приходится либо тратить значительную сумму на дорогие кулеры и системы охлаждения, либо терпеть шум недорогих устройств. В любом случае компьютер начинает существенно повышать температуру в комнате, и работать в ней становится некомфортно.

Первые варианты решения проблемы, как обычно, были не слишком эффективными. Например, вызов команды процессора HALT, выполняемый операционной системой в моменты простоя системы, приводит к временной остановке процессорного конвейера. Это дает ощутимый, но не устойчивый эффект снижения энергопотребления. Популярные сегодня процессорные кулеры с термоконтролем, а также различные варианты системы адаптивного управления вращением вентиляторов позволяют лишь снизить шум в те моменты, когда усиленное охлаждение не требуется, но не решить проблему повышенного тепловыделения.

Более радикальный метод - избавиться от избыточной производительности процессора в те моменты, когда она не нужна. Для этого необходимо снижать частоту и напряжение процессора во время простоя системы и при наличии небольшой нагрузки. Когда нагрузка возрастет, процессор можно вернуть в прежнее состояние, а потом снова переключить в экономичный режим. Подобная стратегия уже применяется в ноутбуках, где неплохо себя зарекомендовала. Остается только реализовать ее в настольных процессорах. Именно этим путем пошли разработчики из AMD.

Cool'n'Quiet: как это работает

На самом деле эта технология давно применяется в мобильных процессорах AMD, только там она называется "PowerNow!". Теперь она реализована во всех процессорах семейства K8 - Athlon 64, Athlon 64 FX, Opteron. Суть ее в следующем. Системный BIOS в ходе начальной загрузки создает для процессора описание возможных его состояний (P-States, состояния производительности), характеризуемых комбинацией частоты и рабочего напряжения. Эти описания в соответствии с интерфейсом ACPI считываются операционной системой при запуске. В ходе работы операционная система следит за загрузкой процессора, и если она не максимальна, делает попытку перевести процессор в одно из младших состояний. Для этого система обращается к драйверу процессора. Драйвер программирует регистры процессора, запуская процедуру перехода в запрошенное состояние. Снизив частоту и напряжение, процессор будет потреблять меньше энергии (примерно в два-три раза), а значит, будет меньше нагреваться. Шум тоже снизится, если кулер имеет термоконтроль. Тем самым будет достигнута цель - уменьшить температуру и шум системы.

Если операционная система обнаружит увеличение нагрузки, она снова запросит изменение состояния процессора, но на этот раз в сторону увеличения его частоты. По той же цепочке (OC-драйвер-процессор) будет выполнен необходимый переход, и процессор начнет работать на номинальной частоте.

О том, как часто и в какое из состояний переводить процессор, операционная система решает в соответствии с выбранной политикой управления энергосбережением. Пользователь самостоятельно выбирает политику в "Панели управления" - от минимального вмешательства (переходить в пониженный режим только при простое) до жесткой экономии энергии (процессор практически всегда будет находиться в состоянии сниженного энергопотребления).

Алгоритм переключения процессора Athlon 64 между состояниями следующий (см. рис.). Сначала процессор начинает ступенчато переключать напряжения (вверх или вниз), выдавая сигналы VID (номинал напряжения) на соответствующие контакты (фаза 1). Шаг переключения - 0.25 В. Добравшись до напряжения, которое немного выше целевого (чтобы процессор не потерял стабильность в момент смены частоты), процессор отключается от шины и подает новые сигналы FID (выбор частоты) на тактовый генератор (фаза 2). Это соответствует смене множителя. Когда новая частота процессора установится, напряжение переключается на целевое (фаза 3), после чего процессор возобновляет работу.

Для каждой модели процессора Athlon 64 существует своя таблица возможных состояний. У младших моделей (2800+...3200+) и моделей со старым степпингом C0 состояний всего три: максимальное (номинальное), минимальное (800 МГц/1.3 В, множитель 4х) и промежуточное. Операционная система "держит" процессор обычно либо в минимальном, либо в максимальном режиме. У старших процессоров количество промежуточных состояний увеличено до 3, а минимальным считается состояние 1 ГГц/1.1 В/5х. При этом в минимальном состоянии они потребляют около 22 Вт, а в максимальном - 89 Вт. Такая существенная разница позволяет ощутимо экономить энергию и снижать температуру процессора.

Технология Cool'n'Quiet предъявляет повышенные требования к дизайну материнских плат. Связано это не только с необходимостью часто переключать напряжения и частоты. Дело в том, что процессорный контроллер памяти обеспечивает тактовыми импульсами только два DIMM-слота, третий должен тактироваться через дополнительные буферы. Переходя в минимальное состояние, процессор снижает не только внутреннюю частоту, но и частоту шины памяти. Если неправильно сработает схема тактирования памяти, результаты могут быть непредсказуемыми. Поэтому AMD ввела дополнительную сертификацию материнских плат на предмет их стабильности при активации системы Cool'n'Quiet. Соответствующий список вы можете посмотреть на официальном сайте www.amd.com в разделе "Рекомендованные платы".

Как включить Cool'n'Quiet?

Думаю, из приведенного выше описания работы технологии должно быть понятно, что необходимо сделать, чтобы Cool'n'Quiet работала корректно. Но на всякий случай рассказываю по шагам. Сначала убедитесь, что соблюдены следующие требования:

1. У вас должен быть процессор Athlon 64 со степпингом не ниже C0. Все выпускаемые в 2005 году процессоры уже имеют степпинг CG.
2. Материнская плата и ее чипсет должны поддерживать Cool'n'Quiet. Проблема может возникнуть лишь у старых моделей, выпущенных до весны 2004 года.
3. BIOS платы должен корректно опознавать процессор и выстраивать для него таблицу возможных состояний. Желательно "залить" новый BIOS, особенно если у вас старшая модель процессора Athlon 64.
4. Операционная система должна поддерживать управление энергосбережением. Windows 2000, XP или 2003 подойдет.

Технологию Cool'n'Quiet необходимо самостоятельно включить, так как по умолчанию она не работает. Вот последовательность действий:

1. Необходимо установить корректный драйвер процессора. Не поленитесь скачать его с сайта AMD.
2. Убедитесь, что технология включена в BIOS Setup. Если соответствующего пункта там нет, проверьте, все ли вышеприведенные требования соблюдены.
3. Переключите политику энергосбережения на минимальное управление питанием.
4. Проверьте работу Cool'n'Quiet. Любой утилитой, измеряющей тактовую частоту, либо в первой закладке свойств системы, посмотрите текущую частоту процессора. Она должна быть 800 или 1000 МГц (в зависимости от модели процессора Athlon 64).

Тестирование

Итак, теория выглядит радужно. И система работает тише, и температура, в среднем, оказывается ниже, и производительность теоретически не страдает. Повышенные требования к дизайну материнских плат - головная боль не пользователя, но производителя. Неужели нет никакого подвоха? Действительно ли производительность не страдает от того, что система периодически "подправляет" профиль работы процессора? Это мы и проверим.

Обычные бенчмарки для этой цели не подходят, поскольку они интенсивно нагружают процессор, не давая операционной системе повода снижать частоту. Нужен тест, делающий периодические остановки и выполнение несложных операций. В качестве такового идеально подходит тестовый пакет SYSMark 2004. Он выполняет измерение скорости отклика системы на запросы стандартных приложений - Word, Excel, Access, VirusScan, Outlook, Internet Explorer и т.д., всего около 20 популярных программ. При этом тестовый профиль выполняется со скоростью работы пользователя - вызываются меню, вводятся имена файлов, делаются паузы для просмотра результатов и т.п. То есть нагрузка выполняется неравномерно, а именно это нам и нужно. Плюс система работает во вполне реальных условиях.

В состав тестовой платформы входила материнская плата Microstar K8N Neo на чипсете NVIDIA nForce3 250Gb и процессор Athlon 64 2800+. К сожалению, этот процессор - не самый удачный экземпляр для тестирования технологии Cool'n'Quiet, поскольку его минимальная (800 МГц) и номинальная (1800 МГц) частоты различаются ненамного, промежуточное состояние только одно, в минимальном состоянии напряжение ядра достаточно высокое - 1.3 В. Но если мы даже на нем увидим выигрыш по температуре и шуму, то на старших моделях процессоров результат будет, как минимум, не хуже.

Система была собрана в корпусе Inwin J535, оснащена дополнительным вентилятором под блоком питания. Вентилятор на процессоре был штатный, боксовый, с термоконтролем.

Для построения профиля работы системы была использована утилита Motherboard Monitor 5.3.6. Она корректно отслеживает вращения вентиляторов, температуры (процессора и зоны материнской платы возле чипсета) и напряжения. Увы, частоту процессора она не отслеживает. Впрочем, о переходе процессора в минимальное состояние можно судить по другому признаку - напряжению ядра. В штатном режиме оно составляет 1.5 В, а в режиме снижения частоты - 1.3 В. Утилита была настроена на сохранение лога состояния с интервалом 2 сек - больший интервал не имеет смысла, так как частота переключается очень быстро, а меньший (1 сек, 0.5 сек) утилита не позволяла установить, так как размер лог-файла был ограничен 1 тыс. записей.

Длительность прохождения одного цикла теста SYSMark 2004 Office Productivity составляет около 1 часа. За это время температура системы должна полностью стабилизироваться. Для анализа была взята последняя треть цикла работы системы, из нее был выделен характерный участок длиной 400 секунд (7 минут), на котором система выполняла несколько простоев, и построен график (1 - Cool'n'Quiet выключена, 2 - Cool'n'Quiet включена).

На графике мы видим два участка, на которых система выполняла кратковременное снижение тактовой частоты и напряжения ядра процессора. Это позволило понизить температуру процессора до 33 гр., в то время как температура без Cool'n'Quiet держалась на отметке 37-39 гр. Причем снижение напряжения до 1.3 В (минимальное состояние) производилось намного чаще, чем снижение до 1.4 В (промежуточное состояние). Напряжение внутри корпуса, в целом, было на 1 гр. ниже, а обороты процессорного вентилятора - на 300 об/мин меньше (примерно 8%). На уровень шума это почти не оказало влияния.

Снизилась ли производительность системы? Да, даже кратковременное снижение частоты отразилось на производительности. Впрочем, согласно этому же тесту, максимальный ущерб для скорости составил 8.5% - пострадали программы работы с почтой и интернет. При работе с текстом, таблицами и базами данных потери минимальные - менее 1%, их можно списать на погрешности измерений.

Выводы

Да, технология Cool'n'Quiet помогает снижать шум и температуру системы. Тесты это доказывают. Особенно эффективно она поможет пользователям, имеющим дело, в основном, с обработкой текстов, таблиц, деловой графики, почты и т.д. В моменты простоя системы либо неполной ее загрузки процессор будет работать медленнее, за счет чего и достигается положительный эффект. На общем быстродействии Cool'n'Quiet сказывается, но очень незначительно.

К сожалению, эта технология пока доступна лишь владельцам систем на базе процессоров AMD Athlon 64. В процессоры Intel она будет включена немного позже.

Макс КУРМАЗ

Благодарим компанию "Гринлайн" за предоставленное оборудование