تغيير تردد الصوت الديناميكي

يُعدّ تغيير تردد المعالج الديناميكي (المعروف أيضًا باسم خفض تردد وحدة المعالجة المركزية ) تقنية لإدارة الطاقة في بنية الحاسوب ، حيث يُمكن تعديل تردد المعالج الدقيق تلقائيًا أثناء التشغيل وفقًا للاحتياجات الفعلية، وذلك للحفاظ على الطاقة وتقليل الحرارة المتولدة من الشريحة. يُساعد تغيير تردد المعالج الديناميكي في الحفاظ على عمر بطارية الأجهزة المحمولة، وتقليل تكلفة التبريد والضوضاء في بيئات الحوسبة الهادئة ، كما يُمكن استخدامه كإجراء وقائي للأنظمة التي ترتفع درجة حرارتها (مثلًا بعد كسر سرعة المعالج بشكل غير صحيح ).

يظهر تغيير التردد الديناميكي عادةً بالتزامن مع تغيير الجهد الديناميكي ، حيث تتطلب الترددات العالية جهود تغذية أعلى لكي تُعطي الدائرة الرقمية نتائج صحيحة. يُعرف هذا الموضوع المُدمج باسم تغيير الجهد والتردد الديناميكي ( DVFS ).

تُحسب القدرة الديناميكية ( قدرة التبديل ) التي تستهلكها الشريحة بالمعادلة C·V² ^· A·f ، حيث C هي السعة التي يتم تبديلها في كل دورة ساعة، وV هو الجهد ، وA هو عامل النشاط ^{[ 1 ]} الذي يشير إلى متوسط ​​عدد عمليات التبديل لكل دورة ساعة بواسطة الترانزستورات في الشريحة (كمية بدون وحدة)، وf هو تردد الساعة. ^{[ 2 ]}

لذا، يُعدّ الجهد الكهربائي العامل الرئيسي المحدد لاستهلاك الطاقة والحرارة. ^{[ 3 ]} ويُحدد تردد الساعة للدائرة الجهد اللازم للتشغيل المستقر، ويمكن تقليله بخفض التردد أيضًا. ^{[ 4 ]} مع ذلك، لا تُمثل الطاقة الديناميكية وحدها إجمالي طاقة الشريحة، إذ توجد أيضًا طاقة ثابتة، ناتجة أساسًا عن تيارات التسريب المختلفة. ونظرًا لاستهلاك الطاقة الثابتة وزمن التنفيذ التقاربي، فقد ثبت أن استهلاك الطاقة في البرمجيات يُظهر سلوكًا محدبًا، أي أن هناك ترددًا مثاليًا لوحدة المعالجة المركزية يُقلل استهلاك الطاقة إلى أدنى حد. ^{[ 5 ]} وقد ازدادت أهمية تيار التسريب مع تصغير أحجام الترانزستورات وانخفاض مستويات جهد العتبة. قبل عقد من الزمن، كانت الطاقة الديناميكية تُمثل حوالي ثلثي إجمالي طاقة الشريحة. أما في وحدات المعالجة المركزية وأنظمة SoC الحديثة، فيميل فقد الطاقة الناتج عن تيارات التسريب إلى الهيمنة على إجمالي استهلاك الطاقة. وفي محاولة للتحكم في طاقة التسريب، شاع استخدام البوابات المعدنية ذات ثابت العزل الكهربائي العالي وبوابات الطاقة.

يُعد تغيير الجهد الديناميكي تقنية أخرى ذات صلة للحفاظ على الطاقة والتي غالبًا ما تستخدم بالتزامن مع تغيير التردد، حيث أن التردد الذي قد تعمل به الشريحة مرتبط بجهد التشغيل.

تنخفض كفاءة بعض المكونات الكهربائية، مثل منظمات الجهد، مع ارتفاع درجة الحرارة، لذا قد يزداد استهلاك الطاقة مع ارتفاع درجة الحرارة. وبما أن زيادة استهلاك الطاقة قد تؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة، فإن زيادة الجهد أو التردد قد تزيد من متطلبات طاقة النظام أكثر مما تشير إليه معادلة CMOS، والعكس صحيح. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يحدد معيار ACPI 1.0 (1996) طريقة لوحدة المعالجة المركزية للانتقال إلى "حالات C" الخاملة، ولكنه لا يحدد نظامًا لتغيير التردد.

يُقدّم معيار ACPI 2.0 (2000) نظام حالات P (حالات الطاقة والأداء) التي يُمكن للمعالج استخدامها لإبلاغ نظام التشغيل بإعدادات التردد والطاقة المُحتملة . يقوم نظام التشغيل بعد ذلك بضبط السرعة حسب الحاجة عن طريق التبديل بين هذه الحالات. تعمل تقنيات التحكم في التردد، مثل SpeedStep وPowerNow!/Cool'n'Quiet وPowerSaver، جميعها من خلال حالات P. يوجد حد أقصى يبلغ 16 حالة. ^{[ 8 ]}

يُقدّم معيار ACPI 5.0 (2011) ميزة التحكم التعاوني في أداء المعالج ( CPPC )، حيث يُتيح لنظام التشغيل اختيار مئات مستويات الأداء في شكل "مستوى أداء" مُجرّد من التردد. يُتيح هذا التجريد للمعالج مجالًا لتعديل عملياته (حالات C) بطرق أخرى غير التردد (حالات P). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

يمكن لعدد من وحدات المعالجة المركزية الحديثة إجراء تغيير التردد بشكل مستقل، باستخدام نطاق مستوى الأداء وتلميح "الكفاءة / تفضيل الأداء" من نظام التشغيل.

• تدعم معالجات إنتل بدءًا من معالجات Skylake حالات P المُدارة بواسطة الأجهزة، والمعروفة أيضًا باسم Speed ​​Shift ، وهي تعتمد على بروتوكول CPPC، وتستخدم سجلًا خاصًا بالطراز كقناة تحكم. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• تدعم معالجات AMD بدءًا من Zen 2 ميزة مماثلة، وتعتمد هذه الميزة على تفعيل بروتوكول CPPC. قناة الاتصال المفضلة هي MSR (مختلفة عن قناة Intel) التي تم تقديمها في Zen 3؛ بينما تستخدم وحدات Zen 2 طريقة ACPI AML. ^{[ 14 ]}

يؤدي تغيير تردد المعالج ديناميكيًا إلى تقليل عدد التعليمات التي يمكن للمعالج إصدارها في فترة زمنية محددة، مما يقلل من الأداء. ولذلك، يُستخدم عادةً عندما لا يكون عبء العمل مقيدًا بقدرة المعالج.

نادرًا ما يكون تغيير تردد المعالج ديناميكيًا وحده مجديًا كوسيلة لترشيد استهلاك الطاقة. يتطلب توفير أكبر قدر ممكن من الطاقة تغيير الجهد ديناميكيًا أيضًا، نظرًا لوجود مُكوّن V2 ^ولأن وحدات المعالجة المركزية الحديثة مُحسَّنة بشدة لحالات الخمول منخفضة الطاقة. في معظم حالات الجهد الثابت، يكون من الأجدى تشغيل المعالج لفترة وجيزة بأقصى سرعة والبقاء في حالة خمول عميق لفترة أطول (ما يُعرف بـ " سباق الخمول " أو "التسارع الحسابي")، بدلًا من تشغيله بتردد منخفض لفترة طويلة والبقاء لفترة وجيزة فقط في حالة خمول خفيف. مع ذلك، يُمكن أن يُغيّر خفض الجهد مع خفض تردد المعالج هذه المفاضلات.

هناك تقنية ذات صلة ولكنها معاكسة وهي كسر السرعة ، حيث يتم زيادة أداء المعالج عن طريق رفع تردد المعالج (الديناميكي) إلى ما يتجاوز مواصفات تصميم الشركة المصنعة.

يتمثل أحد الفروق الرئيسية بينهما في أن كسر سرعة المعالج في أنظمة الحاسوب الحديثة يتم في الغالب عبر ناقل النظام الأمامي (وذلك لأن المضاعف يكون عادةً ثابتًا)، بينما يتم تغيير تردد المعالج ديناميكيًا باستخدام المضاعف نفسه . علاوة على ذلك، غالبًا ما يكون كسر سرعة المعالج ثابتًا، بينما يكون تغيير تردد المعالج ديناميكيًا دائمًا. ويمكن للبرامج في كثير من الأحيان دمج الترددات المكسورة في خوارزمية تغيير التردد، إذا كانت مخاطر تدهور أداء الشريحة مقبولة.

• تغيير الجهد الديناميكي
• بوابات الساعة
• HLT (تعليمات x86)

تقنيات توفير الطاقة:

• معالجات AMD Cool'n'Quiet (لأجهزة الكمبيوتر المكتبية)
• تقنية AMD PowerNow! (لأجهزة الكمبيوتر المحمولة)
• AMD PowerTune / AMD PowerPlay (الرسومات)
• تقنية Intel SpeedStep (وحدات المعالجة المركزية)

تقنيات تعزيز الأداء:

• معالجات AMD Turbo Core
• تقنية Intel Turbo Boost (لوحدات المعالجة المركزية)