Tecnologie per ridurre il consumo

Il consumo energetico di un processore può essere ridotto in due modi. Il primo riguarda la sfera del processo produttivo, mentre il secondo conta su speciali caratteristiche dell’architettura della stessa CPU.

Processo produttivo

Intel è stata capace di rinnovare continuamente il proprio processo produttivo. Quello a 65 nanometri, introdotto nel 2005, è stato rimpiazzato nel 2007 da quello a 45 nanometri. Nel 2009, Intel dovrebbe introdurre quello a 32 nanometri. Negli anni recenti, ogni generazione ha offerto un incremento delle prestazioni con consumi in discesa, sia in idle che per i carichi di picco.

Processo Nome in codice Anno d’introduzione Caratteristiche principali 90 nm P1262 2003 Silicio stirato, interconnessioni di rame, tecnologia low-k 65 nm P1264 2005 Silicio stirato di seconda generazione, tecnologia high-k gate 45 nm P1266 2007 Tecnologia high-k gate a base di afnio 32 nm P1268 Atteso nel 2009 … 22 nm P1270 Atteso nel 2011 …

Intel afferma che la dispersione all’interno di un transistor potrebbe essere ridotta di 10 volte, mentre i processori a 45 nanometri hanno ridotto la dispersione di corrente solo di un quinto rispetto al processo a 65 nanometri.

È difficile verificare queste affermazioni, ma possiamo confermare definitivamente che il consumo dei Core 2 Duo E8000 è significativamente più basso rispetto alla serie E6000 a 65 nm.

Ogni nuova serie di processori ha offerto un incremento dell’efficienza energetica.

Funzionalità: C-State

Anche nuove funzionalità possono ridurre i consumi. Il primo modo è usare differenti modalità energetiche della CPU, alle quali ci si riferisce come C-state, o "Stati C". La seguente tabella si applica a un intero processore, ma è un concetto applicabile anche al sistema operativo.

C-State AMD Intel Tempo di transizione per tornare a C0 C0* N/A C1* Halt State per la frequenza principale ~ 10 ns C1E Miglioramento, blocco delle frequenze CPU Miglioramento, blocco delle frequenze CPU e riduzione del Vcore >10 ns C2 Arresto ? ferma i clock interni via hardware, compresi buffer di I/O per risparmiare energia. ~ 100 ns C2E N/A Arresto migliorato ? ferma il clock della CPU via hardware e reduce il Vcore > 100 ns C3 Sleep: ferma tutti i clock della CPU Deep Sleep: ferma tutti i clock, interni ed esterni ~ 50 µs C4 Deeper Sleep: reduce il voltaggio della CPU ~ 150 µs C4E / C5 Enhanced Deeper Sleep: riduce ulteriormente il voltaggio della CPU, e disattiva la cache ~ 250 µs C6 Deep Power Down: riduzione ulteriore del voltaggio della CPU Perdita del contesto della CPU Unknown

* 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.

Funzionalità di risparmio energetico: P-State

I processori integrano anche le modalità di risparmio energetico AMD Cool’n’Quiet e Intel SpeedStep o Enhanced SpeedStep (EIST). Cool’n’Quiet ed EIST sono disponibili in quasi tutti i processori attualmente sul mercato. Gli stati C si applicano solo quando il processore è davvero in modalità idle, o in modalità sleep (ad esempio quando mettete il sistema in standby), mentre le funzionalità di risparmio energetico usano i cosiddetti P-state (performance state), che AMD e Intel hanno implementato in maniera molto simile.

Quando la CPU è in modalità attiva (C0), Cool’n’Quiet o Enhanced SpeedStep potrebbero entrare in gioco. È necessario che BIOS sistema operativo supportino questa funzionalità. Se questi requisiti sono soddisfatti, Windows controllerà la velocità e la tensione del processore. AMD, solitamente, riduce la frequenza a 1 Ghz, mentre Intel a una frequenza tra 1,2 e 2 Ghz, a seconda della velocità dell’FSB. Queste funzionalità sono cruciali quando bisogna ridurre il consumo con le applicazioni di tutti i giorni.