C-State & risparmio energetico

[ErmaC]

Fonte: HARDWARE SECRETS
Titolo originale: Everything You Need to Know About the CPU C-States Power Saving Modes
Adattamento e traduzione: ErmaC

Tutto quello che c'e' da sapere
sulle modalita' di risparmio energetico del processore, i C-States

Al fine di poter diminuire il consumo di energia quando il processore è inattivo, esso può essere istruito per entrare in modalità a basso consumo.
Ogni processore ha diverse modalita' di consumo e sono collettivamente chiamate "C-states" o "C-modes".
Spiegheremo che cosa sono queste modalità, cosa fanno e quali sono le modalità supportate da ciascun processore.

La modalità di risparmio energetico è stata introdotta per la prima volta con il processore 486 DX4,
quindi questo concetto è tutt'altro che nuovo.
Col tempo, però, sono stati introdotti nuovi e migliorati metodi di consumo e di gestione del risparmio energetico,
associando a ciascuna modalità potendo il processore consumare meno energia quando la richiesta di carico non è necessaria dai fabbisogni del sistema, favorendo cosi' le modalità a basso consumo.

L'idea di base di questi metodi è quello di tagliare il segnale di clock e l'energia (voltaggio) utilizzata dal processore,
portandoli al minimo indispensabile.
Più unita' vengono fermate (riducendo il segnale di clock o riducendo la tensione), più energia sara' risparmiata,
ma di conseguenza sara' necessario più tempo per "risvegliare" il processore ed essere nuovamente operativo al 100%.

Questi metodi o modalità sono conosciute come "C-states".
Essi vengono numerati a partire da C0, che rappresenta la modalità di funzionamento normale del processore, ovvero dove il processore e' operativo e funzionante al 100%.

Più alto è il numero C (C+x) è, più profonda è la modalità sleep del processore, ovvero maggiori sono le componenti che vengono coinvolte spente/addormentate all'interno del processore e maggiore sara' il tempo richiesto affinche' quest'ultime tornino pienamente operative, portando nuovamente il processore allo stato C0, ossia che si riveglia.

Ogni modalità è anche conosciuta con un nome diverso e molte di queste modalita' sono sotto-metodi di risparmio energetico (derivati di metodi principali), da questa sottodivisione ne risulta un risveglio e quindi passaggio da uno stato all'altro che avviene a livelli, passando dal metodo derivato al metodo principale per poi passare al metodo principale successivo.

Nella tabella sottostante riassumiamo tutte le modalità di C-state attualmente disponibili.

Modalità C1 e C3 fondamentalmente si basa sul taglio del segnale di clock utilizzato all'interno del processore, mentre la modalità C4 e C6 si basano sulla riduzione del voltaggio del processore.
Le modalita' "Enhanced" (aumentate/combinate) possono fare entrambe le cose allo stesso tempo.


* richiesto in tutti i moderni processori

Notare che non tutti i processori supportano tutti gli stati C, mentre altri potrebbero supportarne solamente alcuni. I processori per notebook, tipicamente, supportano un numero maggiore di stati C, mentre quelli di classe desktop sono spesso limitati ai primi stati. Risparmi energetici marginali sono meno utili sui desktop, ma potrebbero fare la differenza in campo mobile, quindi questa distinzione operata dai produttori di CPU è senz'altro sensata.

HFM e LFM si riferiscono alle frequenze maggiore e minore, gestite tramite le tecnolgie Cool'n'Quiet ed Enhanced SpeedStep.
Passare da una modalità operativa a pieno consumo a una a basso consumo richiede tempo, come mostra la colonna destra della tabella sopra. Passare dalla modalità C1 o C2 a quella C0 può essere fatto quasi istantaneamente, ma uno stato di riposo più profondo richiede la modifica di un maggior numero di parametri, perciò si possono impiegare fino a 250 microsecondi per ritornare alla piena modalità operativa.

Ma procediamo spiegando ogni C-State nel dettaglio.

Modalità C1 (C1 State) Halt

Tutti i processori x86 hanno un'istruzione chiamata "HLT" ("Halt"), In cui il processore rimane "fermo", inattivo, non facendo nulla quando questa istruzione e' richiamata.

Il processore è rimesso in "vita" dopo aver ricevuto una interruzione, da un segnale hardware che dice al processore di interrompere le operazioni che stava svolgendo in quel momento e prendersi cura del dispositivo hardware che ha inviato la richiesta.

Dal momento che nella modalità di arresto il processore è completamente inattivo, Intel ha deciso che questo sarebbe stato il punto ideale per ridurre i consumi energetici del processore,
così ha aggiunto "Halt" o "Auto Halt" meglio noto come C1 a partire dal processore 486DX4.
Tutti i processori successivi al 486DX4 sia di Intel che di AMD utilizzano questa modalità, features presente anche nella versione "SL Enhanced" del 486DX2.
 

Modalità C2 (C2 State) Stop Grant

Lo stato C2 è stato introdotto anche con 486DX4, con l'aggiunta di un pin in più per il processore,
chiamato "STPCLK" ("Stop Clock").
Quando questo pin viene attivato, il clock della processore viene tagliato.
 

Modalità C3 (C3 State) Sleep

C3, noto anche come stato di sospensione, e' stato introdotto per la prima volta sui Pentium II di Intel e sugli Athlon di AMD.
 

Modalità C4 (C4 State) Deeper Sleeper

Modalità di C1, C2 e C3 si basano tutti fondamentalmente sul segnale di clock.
Poiché nella modalità C3 tutti i segnali di clock interni del processore possono essere fermati, quindi non c'è altro modo per risparmiare energia giocando con segnali di clock della processore.
Il passo successivo per ridurre il consumo in idle del processore è quello di ridurre il voltaggio dello stesso.
Dal momento che la potenza è direttamente proporzionale alla tensione (P = V x I), se riduciamo la tensione utilizzata dal processore
riusciremo a ridurre la potenza, quindi a ridurre i consumi.
 

Modalità C6 (C6 State) Deep Power Down

Questa è l'ultima aggiunta al risparmio energetico, e' stata introdotta con la versione a 45nm del Core 2 Duo mobile, vale a dire i modelli con numerazione che iniziano per 8 o 9 e i modelli 7350.
E 'importante notare che la versione desktop a 45nm del Core 2 Duo desktop non hanno questa funzionalità.
la modalita' C6 e' anche conosciuta come "Deep Power Down".

Quando il processore entra in questo stato di risparmio energetico, il suo intero stato verra' salvato all'interno di una speciale RAM statica,
la quale è alimentata da una fonte indipendente.
In questo modo la tensione interna del processore puo' essere abbassata a qualsiasi valore, anche uguale a 0V, disattivando completamente il processore.
Successivamente, quando il processore viene risvegliato carica il precedente stato dalla RAM statica.
Questa modalita' di "risveglio" del processore richiede molto più tempo rispetto alle modalita' precedentemente discusse,
ma è molto più veloce nello spegnere il computer e nella fase di riavvio e caricamento del sistema operativo, ecc

Nei processori Core i7 (nome in codice Nehalem), ogni core può passare allo stato C6 (ovvero, quando il voltaggio di alimentazione viene ridotto al minimo), in modo indipendente, pur avendo un power plain condiviso. Inoltre quando il sistema operativo, esegue l'istruzione C6 per un core che ha ultimato il suo processo, interviene immediatamente la fase di risparmio energetico (idle), portando il voltaggio del core interessato, prossimo allo zero, esattamente come se ci fosse un power plain specifico per ogni core.. Sugli attuali processori a 45nm Core 2 Duo mobile questo controllo selettivo dei core non è possibile farlo.

Per entrare nella modalita' C6 il processore deve prima entrare in modalita' C4 e da qui passare a C6.

Facciamo alcuni esempi di risparmio energetico proposto dalla modalita' C6. Innanzitutto prendiamo in considerazione Core 2 Extreme mobile X9100.
Dalla modalita' normale di funzionamento del processore a pieno clock (C0) esso ha un consumo massimo di corrente di 59A, che scende a 11A quando il processore è in modalita' C6, ottenendo una riduzione dell'81,35% dei consumi.
Su un Core 2 Duo mobile T9400 o T9600, che hanno un consumo massimo di corrente pari a 47A,
l'assorbimento di corrente scende a 5,7A quando il processore è in modalità C6, si ha un calo impressionante dell'87,87% dei consumi.

Ultima revisione: ErmaC - 30 Luglio 2010