За продуктивність комп’ютера відповідають не тільки ядра і потоки. У сучасних чіпах виробники керують частотою і обчислювальною потужністю за допомогою технологій Intel Turbo Boost і AMD Precision Boost. Але у кожної з них є свої нюанси й особливості. Щоб розібратися, як вони працюють, потрібно зрозуміти, що таке частота, чому вона тактова, і як це впливає на потужність процесора.
Чому частота «тактова»?
Якщо говорити просто, частота — це повторювані дії. Частота вказує тільки швидкість об’єкта, але не його продуктивність. Наприклад, двигун внутрішнього згоряння обертає маховик зі швидкістю 2000 обертів на хвилину. При цьому він може видавати різну корисну потужність.
За допомогою тактів позначають продуктивність — кількість виконаної корисної роботи за один рух. Щоб розібратися у значенні тактів і частоти, можна звернутися до математики. Наприклад, перед нами стоять два колеса, в одного з них радіус 10 дюймів, в іншого — 20 дюймів, тож, незважаючи на однакову частоту обертання, колеса матимуть різну швидкість. У цьому випадку оберти можна прийняти за такти, а кілометраж, який колесо проїжджає за один оберт, — тактовою частотою або продуктивністю. Звідси випливає, що просто частота — це не якісне, а кількісне позначення. А частота із зазначенням такту — це вже показник продуктивності. Саме тактова частота вказує на продуктивність процесорів.
Регульована частота
Процесори — це мікросхеми, які включають мільярди транзисторів. Висока щільність компонування дає змогу вмістити в одному квадратному сантиметрі електричну схему розміром із футбольне поле. Така конструктивна особливість ставить жорсткі умови для роботи електроніки.
Так, для ефективної роботи процесору доводиться динамічно керувати тактовою частотою. Це корисно для продуктивності або, навпаки, для зниження нагріву та споживання, оскільки система балансує на ідеальному співвідношенні потужності та ефективності.
Фірмові технології, включно з Intel Turbo Boost і AMD Precision Boost , лише частково відповідають за роботу алгоритмів управління частотою, їхня основна мета — підвищення частоти понад базове значення (розгін). Однак динамічна частота бере початок далеко за межами процесорних технологій — відправною точкою у формуванні частоти процесора є тактовий генератор.
Тактовий генератор
Це мікросхема, яка синхронізує роботу комп’ютерних комплектуючих. Іншими словами, це точний годинник, який незалежно і рівномірно відбиває такт за тактом. Ґрунтуючись на часі між тактами, інша електроніка розуміє, коли і як потрібно працювати.
У сучасних системах частота тактового генератора зафіксована на позначці 100 МГц, хоча й може варіюватися в межах кількох відсотків, щоб уникнути інтерференції власного випромінювання з високочастотним випромінюванням інших компонентів.
Множник
Процесор керує частотою ядер за допомогою множника. Щоб отримати необхідну частоту ядер, система множить постійне значення частоти генератора на необхідне значення множника. У такому разі динамічна частота стосується тільки процесора, тоді як інші компоненти підкоряються власним правилам формування частоти.
До появи нових процесорів множник залишався постійною величиною, тому що його блокували на заводі апаратно. Користувачі задовольнялися ручним регулюванням частоти через шину: що вища частота тактового генератора, то вища частота ядер. У минулому комплектуючі не вимагали гранично стабільної частоти BCLK, а в сучасних платформах їй приділяють особливу увагу.
Наприклад, розганяючи систему через шину, ми не тільки піднімаємо частоту процесора, а й збільшуємо частоту оперативної пам’яті, графічного ядра і навіть накопичувачів. До перепадів частоти чутливий контролер твердотільного накопичувача: він може сипати помилками навіть при коливаннях шини на 2-3 МГц від заводського значення. Щоб уникнути цього, виробники зробили множник динамічним.
Як працює автоматичне регулювання частоти
Висока тактова частота просто необхідна для обчислювальної потужності ядер. Однак, зайві мегагерци не тільки підвищують продуктивність чипа, а й впливають на енергоспоживання, нагрівання, стабільність і навіть безпеку системи. З появою потужних процесорів з’явилася необхідність керувати частотою так, щоб комп’ютер працював збалансовано. Є навантаження — є частота, немає навантаження — процесор відпочиває і не гріє повітря в корпусі.
Спочатку динамічна частота використовувалася для економії енергії, пізніше процесори навчилися автоматично розганятися. Виробники процесорів здогадалися, наскільки вигідно випускати чіпи, розігнані з заводу. Тому тонке управління частотою та іншими параметрами тепер беруть на себе фірмові технології, такі як Intel Turbo Boost і AMD Precision Boost.
Intel Turbo Boost
Історія фірмової технології починається з процесорів i7 серії 9xx. Це сімейство Bloomfield, у модельному ряду якого з’явилися чіпи з підтримкою технології Hyper Threading і, звичайно, Intel Turbo Boost.
Перша версія давала змогу розганяти процесор лише на 200-300 МГц вище за базову частоту. Це було фізичним обмеженням: кремній того часу важко перетравлював розгін, і без істотного підвищення температури і напруги було складно взяти рекордні цифри в повному навантаженні на всі ядра.
Але разом із розвитком напівпровідників і техпроцесів процесори набули вродженої здатності до хорошого розгону. Тепер підняти частоту на 1 ГГц від базової не складає труднощів навіть автоматиці, особливо після того, як в Intel допрацювали фірмову технологію і представили кілька додаткових алгоритмів. Друга версія Intel Turbo Boost з’явилася в процесорах ще 2010 року і донині працює навіть у найдосконаліших і найактуальніших чипах сімейства Rocket Lake.
Як це працює
За допомогою технології Turbo Boost 2.0 процесор керує тактовою частотою так, щоб ядра залишалися продуктивними у всіх навантаженнях без перегріву і виходу за рамки заводського теплопакета. Правда, є кілька нюансів. Розглянемо роботу Turbo Boost на процесорах Coffee Lake.
Наприклад, TDP процесора становить 95 ват, але водночас система бусту дає змогу процесору протягом деякого часу працювати з більшим енергоспоживанням. Ці параметри налаштовуються автоматично, а материнські плати на базі Z-чіпсетів навіть дають змогу регулювати їх вручну:
Налаштування, виділені червоним блоком на скріншоті, належать до технології Turbo Boost. Це основні параметри, які впливають на роботу автоматичного розгону і задають максимуми для розгону процесора. Параметр «Long Duration Package Power Limit» інженери Intel називають PL1 — це заводський рівень енергоспоживання (TDP), який є опорним для роботи Turbo Boost. Для Core i7 9700K значення PL1 становить 95 ват.
Для роботи буста виробник передбачив друге значення — Short Duration Package Power Limit або PL2. Цей параметр впливає на абсолютну межу енергоспоживання процесора в навантаженні і бусті на всі ядра. Стандартна формула для підрахунку цього параметра така: PL2 = PL1*1.25
У такому разі «друга швидкість» восьмиядерного 9700K може досягати 120 ват. За задумом інженерів, саме стільки енергії споживає процесор у заводському розгоні, щоб залишатися в безпечних значеннях за напругою і нагріванням. Щоправда, щоб захистити процесор, режим PL2 може працювати тільки обмежений проміжок часу, після чого відкочується до споживання за правилами PL1. Цей час позначається як «Package Power Time Window» або «Tau».
Ґрунтуючись на цих лімітах, процесори Intel регулюють частоту. Наприклад, якщо теплопакет процесора залишається в межах PL1, то частота досягатиме максимуму. Якщо ж процесор навантажений так, що його енергоспоживання перевищує режим PL1 і досягає PL2, то підвищена частота протримається на високих значеннях тільки заявлений час Tau, а потім повернеться на безпечні значення. Intel неохоче розкриває докладні параметри, проте ентузіасти змогли роздобути трохи цікавої інформації про сімейство Coffee Lake:
Частота процесора в режимі Turbo Boost підпорядковується опорній частоті (тактовий генератор) і значенню множника, а також залежить від параметрів енергоспоживання процесора. Варто сказати, що справжні значення PL2 і Tau не завжди відповідають тим, які можна розрахувати або знайти у відкритих джерелах. Наприклад, той самий Core i7 9700K може з лишком перевалити за 140 ват і працювати, якщо дозволяють система охолодження і підсистема живлення.
А можна ще швидше?
Нові процесори Intel підтримують не тільки Turbo Boost 2.0, а й кілька «надбудов». Це Turbo Boost Max 3.0, Intel Velocity Boost і Intel Adaptive Boost, які не замінюють основний алгоритм підвищення частоти, а розширюють його функціонал.
Intel Turbo Boost Max 3.0 — доповнення до основного бусту. Технологія поєднує апаратні алгоритми Turbo Boost 2.0 і програмні, які визначають найшвидші ядра процесора і делегують їм однопотокові завдання. У результаті частота вдалих ядер може підніматися на 15% вище від меж за Turbo Boost. Крім хорошого охолодження і живлення, для роботи технології необхідний відповідний процесор, а також Windows 10 останньої версії.
Intel Velocity Boost — надбудова над заводським розгоном, а також над Turbo Boost 3.0. Алгоритм стежить за температурою і дає змогу працювати всім ядрам процесора з вищою частотою, якщо температура не перевищує умовного значення. Наприклад, для процесорів Comet Lake це значення відповідає 70 °C. Таким чином, десятиядерний процесор може досягати 4.9 ГГц за всіма ядрами, тоді як стандартний буст розжене процесор всього до 4.8 ГГц.
Intel Adaptive Boost — нова технологія, вона ще не вивчена вздовж і впоперек, як інші, але деякі подробиці вже відомі. Першими підтримку отримали процесори Core i9 11900K і Core i9 11900KF сімейства Rocket Lake. Принцип роботи нового алгоритму полягає у відстеженні температури ядер і лімітів енергоспоживання. Якщо всі дані сходяться в допустимих межах, то технологія розганяє ядра ще сильніше, ніж звичайний Turbo Boost і Velocity Boost, даючи змогу всім потокам одночасно досягати 5.1 ГГц, замість 4.7 ГГц у стандартному бусті.
Підтримка технологій регулювання частоти залежить від моделі процесора, а також його покоління. Наприклад, Velocity Boost, як і новітній Adaptive Boost, підтримується тільки топовими Core i9, тоді як Turbo Boost 2.0 можна зустріти навіть у моделях Intel Core i3.
AMD Precision Boost
У червоного табору своє розуміння заводського розгону, яке дещо відрізняється від конкурентів. Наприклад, AMD не прив’язує частоту до цілих значень від шини і може регулювати її аж до 25 МГц, тоді як буст Intel завжди кратний 100 МГц. Звідси і назва Precision Boost — «точний розгін». Водночас принцип регулювання зав’язаний на ліміти споживання, температури і частоти майже так само, як і Core.
Двоє зі скриньки
У житті процесорів AMD було кілька технологій налаштування частоти. Минулі покоління використовували алгоритми Turbo Core, а з появою ядер Zen і процесорів Ryzen інженери вигадали технологію Precision Boost , яка пізніше перетворилася на версію 2.0. Принцип роботи обох версій турбобуста ідентичний. Розгін ядер підпорядковується трьом обмеженням: температура, потужність і частота. Якщо уявити їх у вигляді рівнобедреного трикутника, як це роблять інженери AMD, то вийде так:
Синій трикутник позначає максимуми для кожної з трьох меж процесора. Бузковий трикутник показує, яким чином параметри впливають один на одного при досягненні одного з лімітів. Якщо простіше, то, щойно процесор упреться в енергоспоживання, частота перестане підвищуватися і зафіксується в межах 25 МГц від ліміту частоти (зазначено чорним кольором).
Якщо ж процесор швидше досягне максимальної температури, а не ліміту споживання, то частота також зупиниться на певному, але не максимальному значенні. Водночас, якщо процесор ефективно охолоджується і не обмежений за живленням, то ліміт частоти буде пройдено, а максимальна тактова частота процесора досягне заводської межі — вершини синього трикутника.
Так працює Precision Boost обох версій. Єдиний мінус першої версії PB — жорстке зниження частоти при завантаженні більше двох ядер. Звернемося до наочного графіку:
Бузковим кольором позначено роботу Precision Boost першої версії, яка працює так: коли система навантажує одне або два ядра, алгоритм розгону піднімає частоту на максимум, закладений у процесор із заводу.
У разі, якщо система навантажить більше двох потоків, буст різко знизить частоту. Виходить, що в такому режимі процесор залишається продуктивним тільки в однопотокових завданнях, а при одночасному навантаженні хоча б трьох ядер різко втрачає обчислювальну потужність.
Друга версія алгоритму Precision Boost 2 змінює підхід до управління частотою залежно від навантаження. По-перше, нова технологія дає змогу процесорам працювати з вищими частотами. По-друге, при навантаженні на всі ядра система не скидає частоту різко, а робить це плавно, від ядра до ядра. На графіку це позначено помаранчевою лінією.
Втім, автоматичне регулювання частоти не обмежене фізичними лімітами процесора. AMD заявляє, що алгоритми Precision Boost 2 стали хитрішими, тому максимальна частота ядер досягається не тільки в межах температури, напруги та енергоспоживання, але також залежить від завдань. Наприклад, у додатках із невисоким навантаженням на процесор, ядра працюватимуть на підвищених частотах, навіть якщо це навантаження одразу на всі потоки. Водночас процесор буде трохи знижувати частоту в рендерінгу та інших трудомістких завданнях.
Заводський Boost кращий за ручний розгін
Виробникам вдалося зробити те, до чого користувачі прагнули протягом багатьох років: сучасні процесори працюють набагато ефективніше за попередників завдяки автоматичній частоті. Якщо раніше ентузіасти налаштовували частоту ядер через апаратні модифікації материнських плат і процесорів, то сьогодні для налаштування достатньо натиснути кнопку «Увімкнути» на системному блоці. Решту за нас зробить автоматика.
Часом вона працює ефективніше, ніж ручне налаштування. Коли мануальний розгін змушує всі ядра працювати з однаковою частотою, турбобуст дозволяє розганяти окремі ядра вище, ніж це можливо в ручному режимі. Тому однопотокова продуктивність актуальних чіпів показує непогані цифри, яких не завжди можна домогтися налаштуваннями в BIOS.
Ба більше, заводські алгоритми підвищення частоти стежать за станом процесора і підсистеми живлення, вони не дадуть змоги електроніці працювати на межі стабільності та безпеки. Недосвідчений користувач навряд чи забезпечить системі такий рівень якості, налаштовуючи частоту і напругу на ядрах самостійно.
Величезний плюс заводського бусту — висока тактова частота навіть на процесорах із заблокованим розгоном. Тому навіть бюджетний шестиядерний процесор все ще ефективний в іграх і там, де важливий показник IPC — однопотокової продуктивності.