Времена, когда ручной разгон процессора мог дать десятки процентов дополнительной производительности, остались в прошлом. Современные ЦП благодаря продвинутым технологиям буста способны выжимать из себя последние мегагерцы — до тех пор, пока не упрутся в лимиты PL2, MTP или PPT. Как работают технологии авторазгона, и как с ними связаны лимиты энергопотребления?
Автоматический разгон и лимиты у Intel
До 2008 года все процессоры под нагрузкой работали на заявленной в спецификациях частоте, снижая ее только при перегреве и сопутствующем включении механизмов троттлинга.
Дебютной технологией автоматического разгона стала Intel Turbo Boost. Изначально она появилась в Core i7 первого поколения для HEDT-платформы LGA 1366, и работала достаточно скромно: при нагрузке на одно ядро множитель ЦП увеличивался на два шага от базового (+266 МГц), при задействовании двух и более ядер — на один (+133 МГц).
В 2009 году с выходом массовой платформы LGA 1156 были представлены более доступные Core i5 и Core i7 первого поколения. В них Turbo Boost стал заметно более агрессивным — при одном-двух активных ядрах новые модели могли увеличивать частоту на 4–5 шагов (533–667 МГц).
Современная глава технологий авторазгона берет свое начало в 2011 году, когда с выходом Core второго поколения Intel представила Turbo Boost 2.0. Логика увеличения частоты множителем сохранилась и здесь: с ее помощью новые ЦП могли прибавлять от 100 до 400 МГц, в зависимости от количества загруженных ядер. Ключевым отличием от предшественника стала другая схема работы, которая основывалась на трех новых величинах:
- лимите долговременного потребления (Long Duration, PL1),
- лимите кратковременного потребления (Short Duration, PL2),
- окне работы буста (Time Window, Tau).
Отныне во время буста процессору разрешалось потреблять на 25% больше мощности — за это отвечал параметр PL2. Но если раньше авторазгон мог отключиться только из-за перегрева, то теперь с повышенным потреблением ему было разрешено работать только в пределах окна Tau, которое составляло 28 секунд. После того, как процессор исчерпал это время, его частота возвращалась к базовым значениям и заявленному TDP — чье значение дублирует параметр PL1.
В практически неизменном виде эта технология дожила и до наших дней. Она и поныне остается основной для процессоров Intel — с той разницей, что современные модели переключают частоты быстрее и разгоняются на более высокие величины (2 ГГц и выше). Но за последнее десятилетие компания представила еще несколько технологий, дополняющих Turbo Boost 2.0 и делающих авторазгон еще эффективнее:
- Turbo Boost Max 3.0
Дальнейшее развитие идеи Turbo с упором на ускорение однопотока. Для этого на этапе производства ЦП выявляются одно-два наиболее удачных ядра, которые способны работать на более высоких частотах, чем остальные. При малопоточной нагрузке множитель их частоты повышается выше предела Turbo Boost 2.0.
Turbo Boost Max 3.0 дебютировал в 2016 году в высокопроизводительных Core шестого поколения для сокета LGA2011-3, и был доступен во всех последующих процессорах Intel для HEDT-платформ. Именно там им обеспечивалось максимальное ускорение для одного ядра — до 700 МГц. В «гражданских» ЦП технология появилась с 10 поколения Core, и доступна по сей день лишь в Core i7/Ultra 7 и Core i9/Ultra 9. Прирост, обеспечиваемый ей, здесь гораздо скромнее: 100–200 МГц.
- Thermal Velocity Boost
Дополнительная «плюшка» к Turbo Boost, появившаяся в Core i9 десятого поколения. Позволяет увеличить частоту одного или нескольких ядер на 100–200 МГц до тех пор, пока какое-то из них не нагреется до 70 °C. Среди десктопных моделей поддерживается всеми «девятками», среди мобильных — еще и Core i7/Ultra 7 с приставкой «HX».
- Adaptive Boost
Еще одна надстройка над Turbo Boost, доступная с 11 поколения у топовых Core i9/Ultra 9 с разблокированным множителем. Позволяет увеличить частоту всех ядер на дополнительные 100–300 Мгц, игнорируя температурные ограничения вплоть до точки троттлинга — 100 °C.
С 12 поколения Core Intel изменила название лимитов энергопотребления: место TDP и PL1 заняло значение Processor Base Power (PBP), а место PL2 — Maximum Turbo Power (MTP).
Автоматический разгон и лимиты у AMD
После появления Turbo Boost у Intel компания AMD задалась целью создать собственную схожую технологию. В 2010 году с выходом процессоров Phenom II X6 она представила свое собственное видение авторазгона — AMD Turbo Core.
Первое поколение Turbo Core работало гораздо примитивнее, чем решение от конкурента. При малопоточной нагрузке оно просто поднимало множитель у половины ядер: у шестиядерных Phenom II X6 — для трех, а у четырехъядерных Phenom II X4 — для двух. В этом случае прибавка составляла 400–500 МГц, но при задействовании всех ядер ее не было вовсе.
В конце 2011 года компания представила процессоры серии FX, оснастив их Turbo Core 2.0. Новая версия буста появилась во всех моделях линейки и стала эффективнее, обзаведясь двумя ступенями работы: All-Core Turbo и Max Turbo. Первый увеличивал частоту при нагрузке всех ядер на 100–300 МГц, а второй — при нагрузке половины ядер еще на 200–600 МГц.
Спустя год обновленные FX получили Turbo Core 3.0, который научился переключать частоту при изменении количества активных ядер более плавно. Но современная история технологий авторазгона у AMD началась лишь в 2017 году, когда были выпущены процессоры Ryzen 1000 серии. Вместе с ними компания представила сразу два дополняющих друг друга метода буста: Precision Boost и Extended Frequency Range (XFR).
Логика работы первого поколения Precision Boost была достаточно схожа с Turbo Core: при нагрузке на все ядра частота увеличивалась на 100–200 МГц, а при работе одного-двух ядер бустила еще на 300–500 МГц. В случае, если температура процессора была ниже 60 °C, то еще на 50–100 МГц пару ядер могла разогнать технология XFR.
Однако по-настоящему Precision Boost и XFR раскрылись только со второй версии, появившейся в Ryzen 2000. Их работа стала строиться на основе трех ключевых параметров:
- отслеживания мощности процессорного пакета (Package Power Tracking, PPT),
- расчетного теплового тока (Thermal Design Current, TDC),
- расчетного электрического тока (Electrical Design Current, EDC).
PPT дублирует PL2 из Turbo Boost 2.0 — это максимальная мощность, которую разрешено использовать ЦП при авторазгоне. По умолчанию она на 35% выше значения паспортного TDP. А два оставшихся параметра определяют предельную сила тока, которую можно подавать на процессор при долговременных (TDC) и кратковременных (EDC) нагрузках.
Логика буста была заметно перестроена. Вместо того, чтобы фиксировано переключаться между двумя ступенями частот, Precision Boost 2 и XFR 2 старались поддерживать максимальную частоту для любого количества задействованных ядер с шагом в 25 МГц.
Это происходило до тех пор, пока процессор не упирался в лимит PPT, TDC или EDC — в зависимости от того, порог какого из них достигался раньше.
Буст XFR2 теперь распространялся не на одно-два ядра, а на все — но, как и прежде, лишь до достижения процессором 60°C. Precision Boost 2 продолжал работать и после этой отметки, но снижал частоту на 25 МГц через каждые несколько лишних градусов. В итоге к 85–90°C авторазгон в Ryzen 2000 практически отключался — в отличие от процессоров Intel, которые продолжали бустить вплоть до троттлинга.
Вместе с Precision Boost 2 для Ryzen с приставкой «X» AMD представила функцию Precision Boost Overdrive (PBO). С ее помощью пользователь мог расширить или снять заводские лимиты PPT/TDC/EDC для получения наивысших частот в бусте — для этого требовалась материнская плата с достаточно мощным VRM и эффективное охлаждение ЦП.
Технология Precision Boost 2 используется и во всех последующих поколениях Ryzen, включая самые современные — у них прирост от ее работы достигает отметки в 1.7 ГГц. Но с течением времени AMD улучшала алгоритм буста, внося в него небольшие изменения:
- Ryzen 3000
С выходом этой линейки Precision Boost Overdrive стал доступен для всех новых Ryzen, не ограничиваясь моделями с приставкой «X». А алгоритм XFR2 перестал существовать самостоятельно, став частью Precision Boost 2. Буст отныне подстраивается под нагрузку в несколько раз быстрее — за 1–2 мс против 25–30 мс поколением ранее. Но повысилась и зависимость от температур: алгоритм авторазгона начал понемногу понижать частоты уже с 50 °C.
- Ryzen 5000
Логика работы буста сохранилась, но он стал более агрессивным: по мере роста температуры частота теперь снижается заметно медленнее, падая ощутимыми темпами только после достижения 85°C. Технология Precision Boost Overdrive была обновлена до второй версии, позволяющей контролировать зависимость частоты от напряжения с помощью кривой.
- Ryzen 7000
Следующее агрессивное улучшение технологии авторазгона: это поколение старается поддерживать высокую частоту вплоть до точки троттлинга — 95 °C. Но модели с 3D V-Cache здесь все так же консервативны, удерживая высокий буст лишь до 80 °C. Скорость переключения частоты под нагрузкой увеличилась еще больше.
- Ryzen 9000
Откат целевой температуры PB2 до 85 °C для обычных моделей, и увеличение его до 95 °C для процессоров с 3D V-Cache.
Последствия распространения технологий буста и лимитов энергопотребления
На заре своего появления технологии автоматического разгона были приятным бонусом, которые не меняли подхода к выбору материнской платы и системы охлаждения. Не изменилось это и с появлением первых поколений процессоров, у которых разгон осуществлялся на основе лимитов: ведь тепловыделение тогда было невысоким, а его превышение при бусте — небольшим и кратковременным. Например, при проектировании Core второго поколения расчеты Intel показали: за 28 секунд буста с тепловыделением 119 Вт боксовые кулеры с медной подошвой, рассчитанные на 95 Вт, продолжают справляться со своей работой без перегрева ЦП.
Но тепловыделение процессоров понемногу росло, да и размеры их кристаллов с уменьшением техпроцессов производства становились все компактнее. При переходе к технологии 14 нм плотность теплового потока заметно возросла, а распространение шестиядерных и восьмиядерных моделей поставило окончательную точку в вопросе выбора систем охлаждения: либо использовать «бокс» и наблюдать снижение производительности, либо переходить на куда более эффективные башенные кулеры.
С выходом Ryzen 2000 и Core 10 поколения данный эффект еще больше усилился. «Красные» за счет лимита Precision Boost 2 научились потреблять на 35% больше, чем расчетный TDP, а «синие» — почти на минуту превышать его до двух раз. Помимо в очередной раз возросших требований к системам охлаждения, это привело к гораздо большей зависимости производительности ЦП от VRM материнской платы — ведь если она могла стабильно обеспечить только базовый минимум мощности, то полной скорости работы от процессора ждать уже не стоило.
Поэтому сегодня значения базовой мощности TDP, PL1 и PBP при выборе материнской платы и системы охлаждения для ЦП не несут какой-то полезной информации — ориентиром стали лимиты максимальной мощности PPT, PL2 и MTP. Более того: если пользователь хочет получить от системы полную производительность без ограничений по времени, то ему надо будет снять и эти лимиты в BIOS материнской платы.
Хорошая новость: сегодня большинство моделей материнских плат позволяют это сделать. Плохая: подсистема питания далеко не любой платы сможет выдержать долговременное повышение мощности без перегрева и троттлинга. То же самое можно сказать о процессорных кулерах и СЖО — если планируется снимать лимиты, то необходимо выбирать из моделей с расчетным TDP минимум на 50 Вт выше, чем значение PPT/PL2/MTP.
Итоги
К сегодняшнему дню технологии автоматического разгона процессоров прошли большой путь: от простых решений, которые позволяли немного увеличить производительность, до сложных аппаратных комплексов, способных выжать ее последние капли.
В этом есть несомненные плюсы: современные ЦП берут максимум от предоставленных им возможностей питания и охлаждения. Благодаря этому ручной разгон практически исчез, а его место занял андервольт — снижение напряжения питания с целью сделать процессор «холоднее». Но и минусов тоже предостаточно. При работе на лимитах «из коробки» большинство моделей и так снижает производительность под долговременной нагрузкой, а плохое охлаждение или слабый VRM материнской платы способны усугубить эту проблему еще в разы.
Из-за этого времена, когда можно было купить быстрый процессор, а плату и кулер «на сдачу», сегодня остались в далеком прошлом. И смотря на тесты современных ЦП в сети нужно держать в уме, что подобные результаты достижимы только с достаточным питанием и охлаждением — ведь без них даже самый скоростной процессор-карета быстро превратится в тыкву.
Эти ускорители позволяют обесценить большую часть ручного разгона. Купил, поставил и всё сразу быстро работает. Но у всего есть последствия, цена. Часто небольшой прирост быстродействия ведёт к огромному росту энергопотребления, а с ним и тепловыделения кремния. Доплати за блок питания, материнскую плату, кулер процессора, корпус и вентиляцию. Порой много, иначе шумно и пыльно. Чаще тратить время на очистку, замену термоинтерфейса, будто нам заняться больше нечем. Если сэкономил, то теряешь стабильность и надёжность, сломается быстрее. Раньше разгон был следствием осознанного риска и добровольного соглашения. BOX кулер справлялся с почти любым ЦП, даже старшими. Теперь он автоматически выставлен, кому не надо будут сами отключать или снижать напряжение для компенсации Раньше разгоняли чтобы экономить, теперь наоборот это коммерциализировали. Зарабатывают на нас и изначально не спрашивают, хотим ли буст. Порой люди жалуются, что кулер с заявленной мощностью 150 Вт не может охладить ЦП с TDP 65 Вт. Не понимают что творят, но им помогли запутаться. Борода названий и хитро преподнесённые характеристики побуждают чаще доплачивать. Не пытаюсь выставить конторы злом. Но их интересы стоят выше наших, поэтому кого не устраивает, те потеряют больше времени на разбирательства. Сами о себе позаботимся, им до нас нет дела.P.S. Кому интересно сравнят энергопотребление одного ядра при частоте 5 и 5.5 ГГц. Огромная разница стоит прибавки до 10% производительности? Если да, придётся доплатить. Если нет, то придётся терять время на настройку. Кто умеет делает быстро. Кто нет пожертвует кусочком жизни.