Пользователи мобильных устройств (таких, как ноутбуки и смартфоны) часто указывают в различных опросах, что одной из наиболее важных характеристик при выборе девайса для них является время автономной работы. Оно же, в свою очередь, зависит не только от емкости аккумулятора. В этой статье расскажем о том, как именно современные гаджеты экономят энергию на аппаратном и программном уровне.
Особые архитектуры и версии CPU и GPU
Начать стоит с одной из ключевых особенностей большинства мобильных устройств — специально оптимизированных для низкого энергопотребления центральных и графических процессоров. У смартфонов они практически всегда совмещаются в одной SoC (система на чипе), в случае же ноутбуков это процессор со встроенной графикой или он же и отдельная видеокарта.
Мобильные чипы не просто работают на более низких частотах — часто у них другая философия архитектуры, оптимизированная не для максимальной производительности «вообще», а для максимальной производительности в рамках заданного лимита TDP. Последний же может составлять буквально 5–10 Вт для некоторых сверхэнергоэффективных линеек ноутбучных процессоров. Впрочем, чаще все-таки можно встретить значения в 15–75 Вт.
К SoC смартфонов требования еще жестче. Все-таки пользователи мобильных устройств (за исключением некоторых любителей игр) не готовы мириться с наличием вентиляторов. А испарительные камеры и радиаторы, расположенные в компактном корпусе девайса, имеют свои пределы.
Типичная устойчивая тепловая мощность мобильных SoC, с учетом возможностей пассивных систем охлаждения (СО), как правило, не превышает 3–7 Вт. При кратковременных пиках TDP может достигать 12–15 Вт. Но такие значения уже считаются высокими для СО смартфонов — возможны перегрев и троттлинг.
Важно: троттлинг — это автоматическое снижение частоты и энергопотребления чипа при достижении температурных или мощностных ограничений. Сопровождается уменьшением производительности. В смартфонах чаще всего используется для предотвращения перегрева SoC — в бенчмарках или во время гейминга частоты CPU и GPU могут уменьшаться. Снижается и производительность, порой на десятки процентов, если система охлаждения не справляется.
И еще момент — в CPU/GPU/SoC могут быть встроены аппаратные блоки, «заточенные» под конкретные задачи, будь то работа с ИИ, или сжатие и перекодирование видео. Они, как правило, производительнее и/или энергоэффективнее, чем чипы общего назначения. Но только в своей области.
Динамическое масштабирование частоты и напряжения ядер
Как смартфоны и планшеты, так и ноутбуки умеют самостоятельно регулировать параметры ядер процессора — если нагрузка невелика, частота и напряжение также низкие, и энергопотребление минимально. Когда пользователь запускает 3D-игру с «тяжелой» графикой или иное ресурсоемкое приложение, система мгновенно реагирует и подстраивает производительность под нагрузку, чтобы не допустить нежелательных подтормаживаний. Ключевой момент здесь — именно низкие частоты и энергопотребление в базовом режиме, поскольку это позволяет экономить заряд аккумуляторной батареи.
В качестве примера можно привести ноутбучный CPU Intel Core Ultra 5 125U. В базовом режиме его ядра работают на 0,8–1,3 ГГц. При высокой нагрузке рабочие частоты могут достигать 3,6–4,3 ГГц. Разница в производительности и в энергопотреблении — значительная.
В режиме простоя некоторые ядра могут и вовсе отключаться для экономии энергии — это касается как мобильных ПК, так и смартфонов.
Разделение ядер CPU/SoC на производительные и энергоэффективные
Производители мобильных SoС на протяжении многих лет используют гетерогенную структуру ядер. Она предусматривает, что среди последних некоторые заточены на производительность (P), а некоторые — на энергоэффективность (E). Соответственно, прожорливые P-ядра полноценно задействуются лишь когда в них появляется реальная необходимость, что позволяет экономить энергию. Если же пользователь открывает условный калькулятор, то работают E-ядра.
Когда у смартфона выключается экран, CPU резко снижает частоты, а GPU отключается. Фоновые процессы, за исключением инициированных или отмеченных в настройках пользователем, также ограничиваются. При этом связь продолжает работать, чтобы при необходимости устройство могло мгновенно среагировать на звонок или уведомление. В некоторых SoC (например, в чипах Apple серии A/M и Snapdragon) есть отдельный энергоэффективный микроконтроллер сверхнизкого энергопотребления, который отслеживает сетевые события, показания акселерометра и сенсорного экрана, а также реагирует на голосовые команды.
Примечательно, что смартфоны в целом «спят» лучше и глубже ноутбуков, поскольку архитектура ARM изначально проектировалась как мобильная, а концентрация микросхем в одной SoC позволяет дополнительно экономить энергию. Что же касается x86 ноутбуков — они ближе к десктопам.
Больше интересного у нас на сайте: https://afforto.ru/