У першій статті цієї серії я пояснив основні відмінності між мікросхемами та процесорами в новітніх комп’ютерах Apple та їхніх попередників від Intel, зосередившись, зокрема, на продуктивності та двох типах ядер. Основною метою їхньої розробки є забезпечення високої продуктивності при високій енергоефективності, що є темою цієї статті.
Загальна потужність
Apple надає детальні дані про енергоспоживання для однієї серії моделей, Mac mini, за період від початкової моделі PowerPC G4 у 2005 році до поточної моделі M2 Pro з 2023 року. Оскільки ці дані були виміряні в стаціонарному режимі, тепловиділення протестованих міні дорівнювало споживаній потужності, що легко підтверджується, якщо перевести цифри, наведені в BTU/год (британська одиниця виміру, від якої Британія відмовилася понад півстоліття тому), у ватти. Я показую дані про потужність, заявлені Apple, на графіку нижче.
Верхні набори ліній і точок відповідають тому, що Apple називає максимальним навантаженням на процесор, коли виконується завдання з максимальним навантаженням на процесор, а нижні лінії і точки – коли Finder працює в режимі очікування зі стандартними налаштуваннями енергоспоживання. Чорним кольором показані одноядерні та двоядерні процесори, а червоним – 4-ядерні та вище.
Історично енергоспоживання Mac mini в режимі очікування постійно знижувалося, поки не зросло з появою 6-ядерного процесора Intel у 2018 році. Після цього всі три кремнієві моделі Apple мали надзвичайно низьке енергоспоживання в режимі очікування – близько 7 Вт. Енергоспоживання на максимумі процесора залишалося в межах 85-110 Вт протягом більшої частини минулого, аж до 6-ядерної моделі у 2018 році, коли воно зросло до 122 Вт. Кремнієві моделі Apple з базовим чіпом M1 або M2 мали максимальні показники енергоспоживання приблизно вдвічі менші, ніж у моделей Intel, і навіть 12-ядерна (8P+4E) модель M2 Pro споживає лише 100 Вт на максимумі процесора.
Порівняйте ці показники з помітним зростанням типових результатів Geekbench за останні кілька років. Одноядерні бали зросли з 1200 для 6-ядерного Intel до 1900 для моделей M2, а багатоядерні – з 6000 для Intel до 9000 і 15000 для M2 і M2 Pro відповідно:
- Intel 6-ядерний 1200, 6000
- M1 4P+4E 1750, 7700
- M2 4P+4E 1900, 9000
- M2 Pro 8P+4E 1900, 15000
де перший показник – одноядерний, а другий – багатоядерний.
Як цілісні системи, кремнієві комп’ютери Apple Mac мають кращу продуктивність (навіть з урахуванням моїх застережень щодо багатоядерних тестів) при меншому енергоспоживанні, а отже, їхнє тепловиділення значно знизилося.
Як досягається низьке енергоспоживання?
Процесори в мікросхемах M-серії досягають ефективності використання енергії кількома способами:
- за рахунок запуску потоків з низьким QoS на ядрах, призначених для споживання меншої кількості енергії,
- змінюючи частоту (і, можливо, напругу) ядер відповідно до їхньої потреби,
- управління ядрами в кластерах, так що цілий кластер P-ядер можна залишити в режимі низького енергоспоживання до тих пір, поки вони не будуть потрібні,
- шляхом тісної інтеграції в єдину SoC.
Важливість частоти і напруги ядра очевидна з формули для оцінки динамічного енергоспоживання:
P = C × f × V^2
де P – динамічна потужність, C – константа, яка зазвичай вважається ємністю комутованого навантаження, f – частота ядра, а V – напруга. Таким чином, якщо напруга постійна, ядро буде споживати вдвічі більше енергії, коли його частота подвоїться з 700 МГц на холостому ходу до 1400 МГц. Для ядер M3 P, таким чином, можна очікувати, що їхнє енергоспоживання зросте майже в 6 разів, коли їхня частота збільшиться від холостого ходу трохи менше 700 МГц до максимальної – трохи більше 4 000 МГц.
На що використовується потужність?
Згідно з оцінками, отриманими за допомогою утиліти powermetrics, відносно невелика частина загальної потужності, виміряної в тестах Apple, використовується ядрами процесора. У режимі очікування ядра процесорів M1 Pro (8P+2E) і M3 Pro (6P+6E) зазвичай споживають менше 0,2 Вт, а графічні процесори – майже нуль, але весь Mac без урахування дисплея, швидше за все, використовує 5-10 Вт енергії в цілому. Це означає, що понад 90% енергоспоживання в режимі очікування припадає на решту мікросхеми, включаючи підключену пам’ять та інші модулі, такі як твердотільний накопичувач, блок живлення, вентилятори та мережеві інтерфейси.
Іншою частиною стратегії Apple з низького енергоспоживання є перенесення спеціалізованої високопродуктивної обробки даних в окремі модулі. Це включає векторний процесор NEON, вбудований в кожне ядро CPU, нейронний модуль (ANE), недокументований матричний співпроцесор (AMX) і графічний процесор, що працює в режимі Compute. При максимальному звичайному навантаженні на процесор максимальна потужність, що використовується всіма 12 ядрами M3 Pro, не перевищує 7 Вт, тоді як 10 ядер M1 Pro не повинні перевищувати 9 Вт. Проте, заявлене енергоспоживання при високому навантаженні може значно зростати: пікове значення, зафіксоване в тестах M3 Pro, становить трохи менше 45 Вт, якщо припустити, що AMX використовувався інтенсивно.
Загальна потужність, наведена для Mac mini, також не враховує потужність, що використовується графічним процесором. Під час важкого обчислювального навантаження воно може становити до 24 Вт для скромного графічного процесора M3 Pro, а для більшого та швидшого графічного процесора M3 Max воно буде значно вищим. Ці можливості враховані в “максимальній безперервній потужності”, заявленій Apple для моделі Mac mini M2 Pro на рівні 185 Вт, що, швидше за все, є сумою максимальної тривалої потужності для всіх чіпів і модулів, а не чимось таким, з чим можна зіткнутися при звичайному використанні.
Чому енергоспоживання важливе?
Енергоспоживання, або, точніше, використання енергії, має найбільше значення для ноутбуків, де воно визначає витривалість роботи між підзарядками акумулятора. Це також очевидно важливо, коли велика кількість комп’ютерів експлуатується в обмеженому просторі, наприклад, у серверних приміщеннях і центрах обробки даних, які можуть витрачати більше енергії на охолодження навколишнього повітря, ніж на роботу комп’ютерів.
Загалом, вам доведеться експлуатувати багато комп’ютерів Apple Mac з М архітектурою протягом року, щоб побачити будь-яку значну віддачу від витрат на електроенергію, тому для настільних комп’ютерів Mac найбільша вигода, швидше за все, буде помітна в їхніх потребах в охолодженні. Комп’ютери Mac, які споживають від 7 до 100 Вт енергії, розсіюють майже все це у вигляді тепла, тоді як комп’ютери з потужністю 20-122 Вт, такі як 6-ядерний Mac mini 2018 року, розсіюють майже в 3 рази більше тепла в режимі очікування, і на 122% більше під час роботи з високим навантаженням на процесор.
У більшості ситуацій це означає, що кремнієві комп’ютери Apple Mac працюють холодніше, ніж їхні попередники Intel, хоча вимірювання температури – не найкращий спосіб відстежити це, оскільки ця змінна контролюється системним управлінням, яке добре відоме тим, що запускає процеси kernel_task та вдається до інших трюків, щоб запобігти підвищенню температури чіпів. Замість цього виробники чіпів, включаючи Intel та Apple, рекомендують використовувати такі показники, як тепловий тиск, як найкращі індикатори теплового навантаження.
Зрештою, коли тепловий тиск стає занадто великим для управління системою, обробку даних можна спочатку пригальмувати, а потім і зовсім вимкнути, щоб захистити чіп від теплового пошкодження. Це особливо легко зробити в кремнієвих ядрах і графічному процесорі Apple, оскільки вони вже працюють на змінній частоті (і, можливо, напрузі). Оскільки динамічна потужність пропорційна частоті ядра, зниження частоти на 10% може бути достатнім для зменшення тепловиділення і відновлення стаціонарного стану з низьким тепловим тиском – метод, відомий як динамічне масштабування частоти.
Таким чином, найбільшою перевагою для всіх користувачів комп’ютерів Apple на M архітектурі, як ноутбуків, так і настільних комп’ютерів, є їхня здатність підтримувати високу продуктивність, не обмежуючись підвищенням теплового навантаження.
Що я ще не розглядав, так це те, чи досягається при цьому чиста економія енергії. Повільне виконання фонових процесів на ядрах Efficiency – це дуже добре, але чи збільшує це витривалість батареї? Дехто може стверджувати, що ефективніше “ганятися за холостим ходом”, виконуючи кожен процес якомога швидше, щоб ядра процесора могли знову перейти в режим низького енергоспоживання.
Концепції
- Загалом, кремнієві комп’ютери Apple Mac забезпечують кращу продуктивність при меншому енергоспоживанні.
- Контроль частоти ядра є ключовим для продуктивності, енергоспоживання та управління тепловим режимом.
- Перенесення спеціалізованої високопродуктивної обробки в окремі блоки – ще одна стратегія енергоефективності.
- Продуктивність і енергоспоживання можуть бути значно вищими при виконанні обчислювальних завдань на графічному процесорі, співпроцесорі AMX або нейронному движку.
- Тепловий тиск є найкращим показником теплового навантаження.
- Енергоефективність дозволяє підтримувати високу продуктивність при низькому тепловому тиску.
Оригінал статті Ґоварда Уоклі на сайті eclecticlight.co
Інші статті циклу:
