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XXIV Power POWER 23 - OTTOBRE 2020 Prima di esaminare i comportamenti relativi alla gestio- ne della potenza, è importante comprendere i limiti fon- damentali dei circuiti integrati in silicio. In tali dispo- sitivi, l’obiettivo principale della gestione della potenza è evitare che tali limiti vengano superati, in modo da preservare affidabilità e funzionalità dei dispositivi stessi. Anche se sono numerosi i fattori che influenzano le pre- stazioni dei transistor in silicio, l’obiettivo in questa sede è focalizzare l’attenzione sugli elementi più significativi che influenzano i processori x86 negli intervalli di fun- zionamento tipici. Non oltrepassare i limiti La frequenza del processore è probabilmente il più ov- vio tra i fattori che limitano le prestazioni di un processo- re. La frequenza definisce la velocità con la quale viene temporizzata la logica del dispositivo e, di conseguenza, la velocità di esecuzione delle istruzioni. Le prestazio- ni non saranno equivalenti nel momento in cui si con- frontano due processori a parità di frequenza ma che si differenziano in termini di architettura, anche se gene- ralmente a un incremento della frequenza corrisponde un aumento delle prestazioni di esecuzione. Una com- mutazione più veloce dei transistor richiede valori di tensione maggiori per l’azione degli elementi resistivi e capacitivi presenti nei transistor. Poiché una tensione di valore più elevato contribuisce ad aumentare gli effetti di invecchiamento (Gioiele, 2013), esistono limiti pratici per i valori di tensione utilizzabili al fine di assicurare la longevità di un prodotto. Una commutazione più veloce dei transistor genera correnti di valore più elevato a cau- sa della carica e scarica degli elementi capacitivi. La combinazione delle leggi di Ohm e Joule indica chia- ramente che tutte queste tensioni e correnti generano potenza e che entrambi i parametri sono correlati di- rettamente con la potenza. La realtà è che la maggior parte delle limitazioni che riguardano la frequenza del processore si possono ricondurre ai limiti relativi alla po- tenza e alla corrente. Una commutazione più veloce dei transistor aumenta la corrente e può anche richiedere un aumento della tensione, il che si traduce in un incre- mento della potenza. I limiti di potenza sono spesso il maggior ostacolo per le prestazioni. Per questo motivo nei moderni processori in architettura x86 i limiti riguar- dano più la potenza che non la frequenza, in presenza di carichi di lavoro onerosi. Durante il funzionamento del processore, la potenza consumata è trasformata in calo- re. I produttori definiscono temperature minime per il die che devono essere rispettate. Un importante compi- to dell’unità per la gestione della potenza del processore è mantenere la temperatura entro i limiti stabiliti. Potenza dissipata Un altro principio base dei transistor in silicio è la pre- senza di correnti di perdita (leakage current) ai capi del- le giunzioni e nel substrato (Kaushik, 2003). L’ammon- tare della corrente di perdita in un processore realizzato con un particolare tipo di processo varierà in maniera considerevole in funzione della tensione applicata e del- la temperatura e può diventare significativa nei moderni processori ad alte prestazioni. Tutta questa corrente di perdita genera una potenza aggiuntiva che deve essere presa in considerazione nel calcolo del consumo di po- tenza totale del dispositivo. Naturalmente la potenza dis- sipata riduce la quantità della potenza complessiva (po- wer envelope) del dispositivo che può essere utilizzata come potenza attiva. La figura 1 riporta la distribuzione della potenza dissipata per un generico processore AMD come percentuale della potenza totale del processore. Gestione della potenza dei processori in architettura x86 Le attuali architetture hardware x86 sono progettate per garantire prestazioni di elaborazione ottimali. Ciò è possibile grazie alla gestione della potenza, espressamente concepita per assicurare contemporaneamente le migliori prestazioni e un funzionamento affidabile Alessandro Nobile