Технологии энергосбережения

Posted in Компоненты ПК, Процессоры | Комментариев нет

Все современные процессоры (и Intel, и AMD) и материнские платы поддержива­ют технологии, позволяющие снизить энергопотребление и, как следствие, рассеи­ваемую тепловую мощность.

В случае процессоров Intel данная технология получи­ла название Enhanced Intel SpeedStep (EIST), а для процессоров AMD — CooPn'Quiet. Несмотря на разные названия, у данных технологий много общего. Идея заключа­ется в следующем. Если процессор не загружен на 100 % или вообще находится в ре­жиме простоя, то тактировать его на максимальной частоте просто не имеет смыс­ла. Между тем тепловыделение процессора напрямую зависит от его тактовой частоты. Поэтому для того, чтобы снизить тепловыделение процессора и его энер­гопотребление, нужно динамически изменять его тактовую частоту в зависимости от загрузки. Именно идеология динамического изменения тактовой частоты про­цессора положена в основу технологий Enhanced Intel SpeedStep и CooPn'Quiet.

Технология Enhanced Intel SpeedStep

В отличие от предыдущей версии технологии Intel SpeedStep, которая применялась в мобильных процессорах и предусматривала возможность работы процессора лишь на двух тактовых частотах, улучшенная технология Enhanced Intel SpeedStep опре­деляет использование нескольких возможных напряжений питания и частот (в со­вокупности — рабочих точек). Это позволяет достичь лучшего соотношения «на­пряжение/частота» и более эффективного режима функционирования, когда производительность согласуется с рабочей нагрузкой.

Изменение тактовой частоты процессора достигается за счет изменения коэффи­циента умножения тактовой частоты (FID), а количество возможных рабочих точек зависит от максимальной тактовой частоты процессора (от возможных значений коэффициента умножения).

Управление переходами между различными рабочими точками выполняется толь­ко самим процессором и блоком регулятора напряжения (VRM). Для установки требуемого напряжения процессор посылает служебные VID-последовательности непосредственно в VRM-модуль. При этом не используются никакие другие ком­поненты системы при осуществлении перехода между рабочими состояниями процессора.

Переход между различными рабочими точками процессора, характеризующимися напряжением и частотой, происходит таким образом, чтобы обеспечивать работо­способность процессора во время самого перехода (который не может осуществ­ляться мгновенно). Для того чтобы осуществить переход на более высокую такто­вую частоту, сначала до требуемого уровня меняется напряжение процессора. Процесс изменения напряжения длится порядка 100 мкс, то есть является доста­точно длительным. Чтобы сохранить работоспособность процессора при изменении напряжения, частоту процессора менять не следует. Когда же напряжение изме­нится и достигнет требуемого уровня, происходит скачкообразное увеличение частоты процессора, которое длится порядка 10 мкс. Если требуется осуществить переход к меньшей частоте, сначала происходит практически мгновенное измене­ние частоты (в течение 10 мкс), а после этого постепенно уменьшается напряжение самого процессора — уже при неизменной частоте.

Изменение тактовой частоты и напряжения питания в технологии Enhanced Intel SpeedStep

Кроме технологии Enhanced Intel SpeedStep, в современных процессорах Intel используется еще один режим энергосбережения, известный как «улучшенный режим простоя» (Enhanced Halt State). Он обозначается как С1Е и представляет собой режим работы процессора с низким энергопотреблением, вхождение в кото­рый осуществляется при его «усыплении» посредством выполнения специальных инструкций HLT или MWAIT. В данном режиме процессор способен динамически понижать коэффициент умножения частоты системной шины (FID) и уровень питающего напряжения (VID) и автоматически восстанавливаться до состояния максимальной производительности по мере необходимости без вмешательства со стороны операционной системы.

Технология Cool'n'Quiet

Данная технология (в буквальном переводе «холодный и тихий»), используемая в процессорах AMD, по своей сути мало чем отличается от технологии Enhanced Intel SpeedStep и заключается в динамическом управлении тактовой частотой и напряжением питания ядра, что, в свою очередь, позволяет оптимизировать тем­пературный режим работы процессора.

При отсутствии загрузки центральный процессор по команде HLT переходит в ре­жим Halt; процессор при этом не выполняет никаких вычислительных задач, то есть останавливается и запускается Halt-цикл. Как только будет выявлена активность, тактовая частота процессора автоматически увеличится до максимального зна­чения, а при простое процессор вновь вернется в режим пониженного потребления энергии.

Технология Intel ЕМ64Т

Как уже отмечалось, все современные процессоры AMD основаны на 64-разрядной архитектуре х86-64, что позволяет им реализовать плоскую адресацию объемов памяти более 4 Гбайт. Большинство современных процессоров Intel (за исключе­нием мобильных фоцессоров) также поддерживает 64-разрядную архитектуру, и в терминологии компании Intel данная технология называется Intel Extended Memory Technology (Intel EM64T), то есть 64-разрядная технология расширения памяти. В самом названии акцент делается на том факте, что новая технология необходима прежде всего для того, чтобы обойти ограничение по объему адресу­емой памяти в 4 Гбайт, присущее 32-разрядным процессорам.

Не следует путать технологию 64-разрядного расширения с уже давно существу­ющей технологией IА-64, используемой в истинно 64-разрядных процессорах Intel Itanium. Речь идет лишь о расширении технологии IА-32 — наподобие того, как это сделано в процессорах AMD Athlon 64. Более того, новые 64-разрядные инструкции Intel совместимы с инструкциями AMD на программном уровне, хотя микроархи­тектура 64-разрядных процессоров двух компаний совершенно различна. То есть для этих процессоров потребуется одна и та же операционная система, и 64-раз­рядные приложения, написанные для процессоров AMD, будут выполняться на процессорах Intel и наоборот. В частности, 64-разрядная операционная система Windows полностью совместима и с 64-разрядными процессорами AMD Athlon 64, и с 64-разрядными процессорами Intel.

Процессоры с поддержкой технологии Intel могут работать в трех режимах. Это:

1. истинный 32-разрядный режим (Legacy IA-32 Mode);

2. совместимый режим (Compatibility Mode 64/32);

3. 64-разрядный режим (64-bit Mode 64/64).

В режиме Legacy IA-32 работа процессора ничем не отличается от работы обычных 32-разрядных процессоров. Для работы процессора в этом режиме требуется ис­пользование 32-разрядной операционной системы.

Режимы Compatibility Mode и 64-bit Mode относятся к расширенному режиму IA-32, который обозначается 1А-32е. В режиме 1А-32е процессор может работать только при использовании 64-разрядной операционной системы. Чтобы обеспечить 64-битный режим функционирования процессора, кроме 64-разрядной операци­онной системы, потребуются еще и приложения, специально написанные с учетом 64-разрядной адресации. В этом режиме приложения могут использовать 64-раз­рядную адресацию (64-bit flat linear addressing), восемь новых 64-разрядных реги­стров общего назначения (GPR), восемь новых командных регистров (SSE, SSE2 и SSE3).

Режимы работы процессора с 64-разрядным расширением

В режиме Compatibility Mode процессор способен исполнять 16- и 32-разрядные приложения под управлением 64-разрядной операционной системы.

Последнее, на чем хотелось бы остановиться при обсуждении 64-разрядных про­цессоров, — это то, насколько они востребованы рынком домашних ПК. Собствен­но, даже сами технические специалисты компании Intel относятся к этому с боль­шой долей скептицизма, не акцентируя на этом особого внимания и просто заявляя, что процессоры Intel поддерживают 64-битные вычисления. Дело в том, что для перехода к 64-разрядным вычислениям необходимо наличие 64-разрядной опера­ционной системы, а также использование 64-разрядных приложений. Проблема, собственно, заключается в том, что 64-разрядные процессоры и даже операционная система есть, а вот 64-разрядных пользовательских приложений практически нет. Поэтому использование 64-разрядных процессоров не дает никаких преимуществ. И даже если в скором времени появятся 64-битные приложения, реальный выигрыш от использования 64-разрядных вычислений можно ожидать только при исполь­зовании в системе более 4 Гбайт оперативной памяти. Использование такого ко­личества памяти в настольных ПК, во-первых, повысит стоимость системы, а во- вторых, не в каждой системе это вообще возможно (есть еще ограничения по объему памяти, накладываемые чипсетом). Пока сложно представить программное обеспечение домашнего компьютера, которому бы потребовался такой объем па­мяти, а вот для людей, чья профессиональная деятельность связана с графикой, видеомонтажом, сведением и мастерингом звука, подобные возможности наверня­ка придутся как нельзя кстати.

Конечно, те, кто использует компьютер для ведения документооборота, вряд ли ощутят изменение разрядности как процессора, так и операционной системы. Поэтому никакие х86-64 не облегчат им работу.

Хотя можно не сомневаться, что в обозримом будущем эта технология поможет открыть для конечного потребителя новые возможности интерактивной среды.

Технология антивирусной защиты

Многие современные процессоры Intel и AMD имеют встроенное средство аппа­ратной антивирусной защиты. В терминологии Intel данная технология получила название Execute Disable Bit, а в терминологии AMD — Enhanced Virus Protection (EVP). Несмотря на разные названия, суть данных технологий одинакова.

Появление аппаратной антивирусной защиты на уровне процессора обусловлено возросшим объемом вирусных атак и большим количеством пользователей, под­ключенных к Интернету дома и на работе. Высокую опасность представляют черви, внедряющиеся на ПК без участия пользователя. Вирусные инфекции, которые зависят от человеческого фактора, можно остановить с помощью анти­вирусных средств. Но черви распространяются самостоятельно, используя «ды­ры» в коде не только прикладных, но и системных программ, например драйверов сетевых карт. Проникший таким образом червь не может быть блокирован анти­вирусными средствами, поскольку он выполняется в том же кольце защиты, что и ядро системы.

Технология аппаратной антивирусной защиты на уровне процессора — это ком­плексное программно-аппаратное средство защиты, блокирующее код, внедренный через механизм переполнения буфера в системной программе. Такие «дыры» име­ются во многих программах, так как они возникают часто по вине компиляторов исходного кода. Сегмент памяти, помеченный специальным битом, не может со­держать исполняемого кода. При попытке перехода к выполнению кода из этого сегмента (а черви часто работают именно так) процессор генерирует специальное прерывание-исключение, которое будет обработано операционной системой, и поль­зователь будет оповещен о вирусной атаке. Конечно, существует ряд программ, которые используют такие переходы в своем коде, но они будут внесены в «белый» список и не будут блокироваться операционной системой.

Поддержка технологии антивирусной защиты имеется во всех последних версиях операционных систем Windows, а также во всех текущих версиях ОС Linux.

Технология виртуализации

Вопросами поддержки виртуализации ведущие разработчики процессоров озабо­тились сравнительно недавно, в 2005 году. До этого развитие виртуальных машин проходило преимущественно в программном русле. Первой в этом деле была замечена компания VMware. В 1998 году она запатентовала свои наработки в об­ласти создания виртуальных машин и выпустила одноименный программный продукт.

Особой популярностью виртуальные машины пользовались у сторонников UNIX- платформ, так как позволяли запускать параллельно несколько операционных систем, включая Windows. Фактически эмулировалась работа нескольких ком­пьютеров с собственными ОС.

Подобные возможности стали привлекательными для бизнес-сектора, когда стала очевидной экономия на оборудовании, инфраструктуре и обслуживании. Поэтому в скором времени появился ряд аналогичных продуктов и от других разработчиков. Даже софтверный гигант Microsoft успел обозначить свое присутствие в этом сек­торе, что являлось на тот момент дополнительным подтверждением перспектив­ности данной задумки.

Поддержка виртуалицизации на аппаратном уровне является знаковым событием. В будущем это позволит решить проблему кросс-платформенности приложений и стереть границы между «родным» (для данной ОС) программным кодом и поза­имствованным с другой платформы.

Внимание

Операционная система или отдельные программы, выполняемые виртуальной машиной, называются гостевыми.

Гостевая операционная система (или приложение) может даже не догадываться, что работает не на отдельном физическом хосте, а всего лишь в режиме эмуляции.

Запуск программного обеспечения на виртуальных машинах имеет определенные преимущества с точки зрения безопасности, так как каждая задача работает в сво­ем адресном пространстве и не имеет прямого доступа к данным других приложе­ний,

В дополнение к обозначенным выше возможностям появляется еще и такое пре­имущество, как простота экспорта настроенных ОС или отдельных приложений с одного компьютера на другой. Это, в свою очередь, сокращает издержки обслу­живания и настройки ПО.

Для небольших компаний использование технологий виртуализации станет суще­ственным подспорьем в сокращении издержек при переходе с программно-аппа­ратной платформы на другую. Отпадает необходимость переписывать ПО заново. Оно сможет прекрасно работать в своей виртуальной среде, в то время как сидящий за компьютером человек для других нужд сможет использовать более современные программные средства.

Развитие технологий виртуализации особо интересно для хостинговых компаний, так как можно предоставить в распоряжение каждого клиента виртуальный сервер для размещения данных и ПО, при этом все данные будут физически размещаться и обрабатываться на одной высокопроизводительной машине. А сбой в одной из гостевых ОС в большинстве случаев не скажется на работе остальных.

Разработчики программ также оценят возможности запуска на одном хосте не­скольких ОС. Это облегчит процедуры тестирования и отладки.

В то время как рынок средств виртуализации стал демонстрировать в последние годы тенденцию устойчивого роста, разработчики «железа» просто не могли оста­ваться в стороне. Именно поэтому как Intel, так и AMD разработали и внедрили две, по сути одинаковые, технологии — Intel Virtualization Technology (Intel VT-x) и AMD Virtualization (AMD-V).

Обе технологии сейчас уже используются в процессорах среднего и более высоких уровней. Процессоры Intel нового поколения, кроме традиционной VT-x, поддер­живают еще и новую технологию виртуализации ввода-вывода — VT-d (Virtualization Technology for Directed I/O), которая предоставляет гостевой операционной сис­теме возможность получать доступ к периферийным устройствам.

Для того чтобы аппаратная виртуализация стала реальной, гостевым системам требовалось иметь прямой доступ к ресурсам процессора. Поэтому разработчикам процессорной логики пришлось изменить архитектуру ядер и ввести дополнитель­ный набор инструкций.

В аппаратной реализации гостевые ОС контролируются специальной программой- менеджером «гипервизором». Отпадает необходимость запуска основной опера­ционной системы, что экономит вычислительные ресурсы компьютера.

Режим виртуализации должен поддерживаться не только процессором, но и BIOS материнской платы. Это означает, что в случае ненадобности его можно отключить.