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XXV POWER 23 - OTTOBRE 2020 POWER MANAGEMENT Densità di potenza del carico di lavoro Per comprendere il ruolo della gestione della potenza in microprocessori complessi è necessario anche co- noscere il concetto di densità di potenza del carico di lavoro. In sintesi questo concetto esprime il fatto che differenti carichi di lavoro genereranno nel processore consumi differenti anche a parità di livello di utilizzo. Un complesso calcolo in virgola mobile, ad esempio, attiverà un numero maggiore di transistor della CPU ri- spetto a una semplice operazione di trasferimento dati. La differenza a livello di potenza tra diversi carichi di lavoro sarà ancora maggiore considerando il fatto che la quasi totalità dei microprocessori x86 odierni sono di tipo multi-core, e la maggior parte di essi integra fun- zionalità che in precedenza erano esterne. L’integrazione più significativa è quella della GPU, un componente che dispone di un core con notevoli risor- se di elaborazione. I dati riportati nella figura 2 mostrano che il consumo di potenza di un processore con carichi di lavoro meno impegnativi sono pari solo al 57% rispetto a quello rela- tivo al processore che esegue il carico di lavoro previsto dal benchmark Prime95 con un singolo core della CPU attivo. Estrapolando tra diversi core fisici, sarà facile constatare che la variazione della potenza in funzione del carico di lavoro può aumentare in maniera consi- derevole. Definizione dei limiti di potenza La definizione del massimo con- sumo di potenza è il punto di par- tenza comunemente utilizzato per definire i modelli di processore. I produttori scelgono livelli di poten- za per soddisfare le esigenze di vari casi d’uso con differenti limitazioni in termini di potenza e le presta- zioni (ovvero la frequenza) sono in larga misura correlate a questa scelta. I processori x86 sono in gran parte definiti per mezzo del TDP (Thermal Design Power), anche se si tratta di una specifica relativa ai requisiti per la soluzione termica e non alla massima potenza elettrica che il dispositivo può consumare. I livelli di potenza massimi sostenibili saran- no uguali o maggiori del TDP a secondo del prodotto. Il controllore per la gestione della potenza del proces- sore esegue il monitoraggio dei parametri chiave in modo da garantire che non vengano superati i limiti specificati per la potenza, la corrente e la temperatura. Se a causa di variazioni dello scenario operativo uno di questi tre parametri tende a raggiungere i limiti imposti, il controllore deve effettuare una compensazione limi- tando le prestazioni del processore. Queste limitazioni solitamente comportano la riduzione della frequenza di funzionamento del/i core che consumano la maggiore quantità di potenza (ovvero CPU e GPU) e che quindi hanno il maggiore impatto. Regolazioni di questo tipo si possono verificare anche ogni millisecondo al fine di assicurare una risposta rapida alle variazioni dell’am- biente operativo o persino del carico di lavoro (Howse, 2015). Poiché il consumo di potenza varia in base al ca- rico di lavoro, appare chiara la ragione per la quale rag- giungere la massima frequenza del core può non essere sempre possibile. Sfruttare le variazioni del dispositivo Il risultato naturale nel caso di un modello in cui si pongono limiti alla potenza è l’ot- timizzazione delle prestazioni per ciascun carico di lavoro, ma la frequenza non è prevedibile nel momento in cui varia il carico di lavoro. I progettisti di sistemi posso- no evitare limitazioni termiche svi- luppando soluzioni per la gestione termica in grado di garantire che la temperatura massima non venga mai raggiunta. Dopotutto il livello di potenza massima sostenibile è un dato conosciuto, per cui è pos- Fig. 1 – Dissipazione della potenza dissipata relativa a un generico processore AMD realizzato con processo FinFET da 14 nm Fig. 2 – Consumo di potenza della CPU in funzione del carico di lavoro (1 core attivo)