動的周波数スケーリング

動的周波数スケーリング( CPU スロットリングとも呼ばれる) は、コンピュータ アーキテクチャにおける電力管理技術です。これにより、実際のニーズに応じてマイクロプロセッサの周波数が「オンザフライ」で自動的に調整され、電力が節約され、チップによって生成される熱量が削減されます。動的周波数スケーリングは、モバイル デバイスのバッテリーを節約し、静かなコンピューティング設定で冷却コストとノイズを削減するのに役立ちます。また、過熱したシステム (不適切なオーバークロック後など) のセキュリティ対策としても役立ちます。

動的周波数スケーリングは、ほとんどの場合、動的電圧スケーリングと組み合わせて使用​​されます。これは、周波数が高くなると、デジタル回路が正しい結果を生成するために高い供給電圧が必要になるためです。この組み合わせは、動的電圧および周波数スケーリング( DVFS ) と呼ばれます。

チップによって消費される動的電力（スイッチング電力）はC·V ² ·A·fです。ここで、Cはクロックサイクルごとにスイッチングされる容量、Vは電圧、Aはアクティビティ係数^[1]（チップ内のトランジスタによるクロックサイクルあたりの平均スイッチングイベント数を示す単位のない量）、fはクロック周波数です。^[2]

したがって、電圧は電力使用量と発熱の主な決定要因です。^[3]安定した動作に必要な電圧は、回路がクロックされる周波数によって決まり、周波数も低下すると電圧も低下します。^[4]ただし、動的電力だけではチップの総電力を占めるわけではなく、主にさまざまなリーク電流による静的電力もあります。静的電力消費と漸近実行時間により、ソフトウェアのエネルギー消費は凸状のエネルギー挙動を示すことが示されています。つまり、エネルギー消費が最小になる最適なCPU周波数が存在するということです。^{[5]トランジスタのサイズが小さくなり、しきい値電圧レベルが低下するにつれて、} リーク電流はますます重要になっています。10年前は、動的電力がチップの総電力の約3分の2を占めていました。現代のCPUとSoCでは、リーク電流による電力損失が総電力消費の大部分を占める傾向があります。リーク電力を制御するために、高kメタルゲートとパワーゲーティングが一般的な方法でした。

動的電圧スケーリングは、チップが動作する周波数が動作電圧に関連しているため、周波数スケーリングと組み合わせて使用​​されることが多い、もう 1 つの関連する電力節約技術です。

電圧レギュレータなどの一部の電気部品の効率は温度の上昇とともに低下するため、温度とともに電力使用量が増加する可能性があります。電力使用量が増加すると温度が上昇する可能性があるため、電圧や周波数の増加はCMOSの式が示す以上にシステムの電力需要を増加させる可能性があり、その逆も同様です。^{[6] [7]}

ACPI 1.0 (1996) では、CPU がアイドル状態の「C 状態」に移行する方法が定義されていますが、周波数スケーリング システムは定義されていません。

ACPI 2.0 (2000) では、プロセッサが OS に周波数と電力の設定を伝えるために使用できるP ステート(電力パフォーマンス ステート)のシステムが導入されました。オペレーティング システムは、これらのステートを切り替えることで必要に応じて速度を設定します。SpeedStep、PowerNow!/Cool'n'Quiet、PowerSaver はすべて P ステートを介して動作します。最大 16 ステートの制限があります。^[8]

ACPI 5.0 (2011) では、協調プロセッサ パフォーマンス制御 (CPPC) が導入され、周波​​数から抽象化された「パフォーマンス レベル」の形で、何百ものパフォーマンス レベルが OS に選択可能になりました。この抽象化により、プロセッサは周波数以外の方法で動作を調整できる余地が生まれます。^{[9] [10] [11]}

最近の CPU の多くは、パフォーマンス レベルの範囲と OS からの「効率/パフォーマンスの優先順位」のヒントを使用して、周波数のスケーリングを自律的に実行できます。

• Skylake以降のIntel CPUは、モデル固有のレジスタを制御チャネルとして使用し、ハードウェア管理のPステートをサポートしています。 ^{[12] [13]}
• Zen 2以降のAMD CPUは同様の機能をサポートしています。Intelの機能とは異なり、CPPCが有効になっている必要があります。優先通信チャネルはZen 3で導入されたMSR（Intelのものとは異なります）です。Zen 2ユニットはACPI AML方式を使用します。^[14]

動的周波数スケーリングは、プロセッサが一定時間内に発行できる命令の数を減らし、パフォーマンスを低下させます。したがって、通常、ワークロードが CPU に依存していない場合に使用されます。

動的周波数スケーリングは、スイッチング電力を節約する方法として、それ自体ではほとんど価値がありません。V ²コンポーネントと、最新の CPU が低電力アイドル状態に強力に最適化されているという事実のため、可能な限り最大の電力を節約するには、動的電圧スケーリングも必要です。ほとんどの定電圧ケースでは、ピーク速度で短時間実行し、長時間ディープアイドル状態に留まる (「アイドルへのレース」または計算スプリントと呼ばれる) 方が、クロックレートを下げて長時間実行し、ライトアイドル状態に短時間留まるよりも効率的です。ただし、クロックレートとともに電圧を下げると、これらのトレードオフが変わる可能性があります。

関連しているが逆の手法としてオーバークロックがあります。オーバークロックでは、プロセッサの（動的）周波数をメーカーの設計仕様を超えて増加させることで、プロセッサのパフォーマンスが向上します。

両者の大きな違いは、現代の PC システムではオーバークロックは主にフロントサイドバス経由で行われるのに対し(主に乗数が通常ロックされているため)、動的周波数スケーリングは乗数を使用して行われることです。さらに、オーバークロックは静的であることが多いのに対し、動的周波数スケーリングは常に動的です。チップの劣化リスクが許容できる場合、ソフトウェアはオーバークロックされた周波数を周波数スケーリング アルゴリズムに組み込むことができます。

Intelの CPU スロットリング技術であるSpeedStepは、同社のモバイルおよびデスクトップ CPU ラインで使用されています。

AMD は2 つの異なる CPU スロットリング技術を採用しています。AMD のCool'n'Quiet技術は、デスクトップおよびサーバー プロセッサ ラインで使用されています。Cool'n'Quiet の目的は、バッテリー寿命を延ばすことではなく (AMD のモバイル プロセッサ ラインでは使用されていません)、発熱を抑えることです。これにより、システム ファンの回転速度が下がり、より低温で静かな動作が可能になります。これがこの技術の名前の由来です。AMD のPowerNow! CPU スロットリング技術は、モバイル プロセッサ ラインで使用されていますが、 AMD K6-2 +などの一部のサポート CPU はデスクトップでも使用されています。

AMD PowerTuneとAMD ZeroCore Power は、GPU用の動的周波数スケーリング テクノロジーです。

VIA Technologies のプロセッサはLongHaul (PowerSaver)という技術を使用しており、 TransmetaのバージョンはLongRunと呼ばれていました。

36 プロ​​セッサのAsAP 1チップは、周波数、開始、停止の任意の変更を含む、完全に制約のないクロック操作 (周波数が最大許容値以下であることのみが必要) をサポートする最初のマルチコア プロセッサ チップの 1 つです。167 プロセッサのAsAP 2チップは、個々のプロセッサが独自のクロック周波数に完全に制約のない変更を加えることができる最初のマルチコア プロセッサ チップです。

ACPI仕様によれば、現代の CPU の C0 動作状態は、クロック レートの低減を可能にするいわゆる「P」状態 (パフォーマンス状態) と、STPCLK (ストップ クロック) 信号を挿入してデューティ サイクルを省略することで CPU をさらにスロットル ダウンする (ただし、実際のクロック レートは下げない)「T」状態 (スロットル状態) に分けられます。

さまざまな ARM ベースのシステム オン チップが CPU と GPU のスロットリングを提供します。

• 動的電圧スケーリング
• クロックゲーティング
• HLT (x86 命令)

省電力技術:

• AMD Cool'n'Quiet (デスクトップ CPU)
• AMD PowerNow! (ラップトップCPU)
• AMD PowerTune / AMD PowerPlay (グラフィックス)
• Intel SpeedStep (CPU)

パフォーマンス向上テクノロジー:

• AMD Turbo Core (CPU)
• Intel Turbo Boost (CPU)