동적 주파수 스케일링
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1. 개요
동적 주파수 스케일링은 CPU의 클럭 주파수를 조절하여 전력 소비를 줄이는 기술이다. 칩의 전력 소비는 주파수와 전압에 영향을 받으며, 주파수를 낮추면 전압을 낮출 수 있어 전력 절감 효과를 얻을 수 있다. 하지만 정적 전력 소비도 존재하여, 에너지 소비를 최소화하는 최적의 CPU 주파수가 존재한다. 동적 전압 스케일링과 함께 사용되며, 성능 저하를 유발할 수 있지만, 전력 절약이 중요한 경우 유용하다. ACPI 표준을 통해 제어되며, 인텔의 SpeedStep, AMD의 Cool'n'Quiet 및 PowerNow! 기술 등이 대표적인 예시다.
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| 동적 주파수 스케일링 | |
|---|---|
| 동적 주파수 스케일링 | |
| 다른 이름 | CPU 스로틀링 전력 관리 적응형 주파수 조절 |
| 기술적 정보 | |
| 유형 | 전력 관리 기술 |
| 목표 | 전력 소비 감소 및 배터리 수명 연장 |
| 작동 방식 | CPU 또는 GPU의 클럭 속도 조절 전압 조절 |
| 구현 | 하드웨어 기반 소프트웨어 기반 |
| 장점 | 전력 소비 감소 발열 감소 배터리 수명 연장 |
| 단점 | 성능 저하 가능성 |
| 관련 기술 | |
| 관련 기술 | 동적 전압 스케일링 전력 관리 CPU 절전 기술 |
| 활용 분야 | |
| 활용 분야 | 랩톱 휴대 전화 태블릿 컴퓨터 서버 데스크톱 컴퓨터 |
| 참고 사항 | |
| 참고 사항 | 성능과 전력 소비 사이의 균형을 맞추는 것이 중요함 |
2. 작동 원리
칩에서 소모되는 동적 전력(''스위칭 전력'')은 ''C·V2·A·f''로 표시되는데, 여기서 C는 클럭 사이클당 스위칭되는 정전 용량, V는 전압, A는 칩 내 트랜지스터의 클럭 사이클당 평균 스위칭 이벤트 수를 나타내는 활동 계수(단위 없는 양), f는 클럭 주파수이다.[1]
동적 주파수 스케일링은 프로세서가 주어진 시간에 실행할 수 있는 명령어 수를 줄여 성능을 저하시킨다.[1] 따라서 일반적으로 작업 부하가 CPU에 의해 제한되지 않거나, 전력 절감이 시스템 성능보다 중요할 때 사용된다.
ACPI 2.0 (2000)은 프로세서가 가능한 주파수-전력 설정을 OS에 전달하기 위해 사용할 수 있는 ''P 상태''(전력-성능 상태) 시스템을 도입했다. 그러면 운영 체제는 이러한 상태 간의 전환을 통해 필요에 따라 속도를 설정한다. SpeedStep, PowerNow!/Cool'n'Quiet, PowerSaver와 같은 스로틀링 기술은 모두 P 상태를 통해 작동하며, 최대 16개의 상태로 제한된다.[8]
전압은 전력 사용량과 발열의 주요 결정 요인이다.[3] 안정적인 작동에 필요한 전압은 회로가 클럭되는 주파수에 의해 결정되며, 주파수를 줄이면 전압도 줄일 수 있다.[4] 그러나 동적 전력만으로는 칩의 총 전력을 설명할 수 없는데, 정적 전력도 존재하기 때문이다. 정적 전력은 주로 다양한 누설 전류 때문에 발생한다. 정적 전력 소비 및 점근적 실행 시간으로 인해 소프트웨어의 에너지 소비는 볼록 에너지 동작을 보이는 것으로 나타났다. 즉, 에너지 소비를 최소화하는 최적의 CPU 주파수가 존재한다.[5]
누설 전류는 트랜지스터 크기가 작아지고 임계 전압 레벨이 감소함에 따라 점점 더 중요해졌다. 10년 전만 해도 동적 전력은 총 칩 전력의 약 2/3를 차지했다. 최신 CPU 및 SoC의 누설 전류로 인한 전력 손실이 총 전력 소비를 지배하는 경향이 있다. 누설 전력을 제어하기 위해 하이-k 금속 게이트 및 전력 게이팅이 일반적인 방법이 되었다.
동적 전압 스케일링은 주파수 스케일링과 함께 자주 사용되는 또 다른 관련 전력 절약 기술로, 칩이 작동할 수 있는 주파수는 작동 전압과 관련이 있다.
전압 조정기와 같은 일부 전기 부품의 효율성은 온도가 증가함에 따라 감소하므로 전력 사용량은 온도에 따라 증가할 수 있다. 전력 사용량 증가로 인해 온도가 상승할 수 있으므로 전압 또는 주파수 증가는 CMOS 공식에서 나타내는 것보다 시스템 전력 요구량을 더욱 증가시킬 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.[6][7]
3. 성능에 미치는 영향
동적 주파수 스케일링 자체만으로는 스위칭 전력을 절약하는 방법으로서 거의 가치가 없다. 최대한의 전력 절약을 위해서는 동적 전압 스케일링도 필요하다. 대부분 정전압의 경우, 낮은 클럭 속도로 오랫동안 실행하고 가벼운 유휴 상태를 짧게 유지하는 것보다, 최고 속도로 짧게 실행하고 더 오랫동안 깊은 유휴 상태를 유지하는 것이 더 효율적이다. ("레이스 투 슬립" 또는 계산 스프린팅이라고 함) 그러나 클럭 속도와 함께 전압을 줄이면 이러한 상쇄 관계가 변경될 수 있다.
이와 관련된 반대 기술은 오버클러킹이다. 오버클러킹은 프로세서의 (동적) 주파수를 제조사의 설계 사양 이상으로 높여 프로세서 성능을 향상시키는 기술이다.
4. 표준 인터페이스
ACPI 5.0 (2011)은 협업 프로세서 성능 제어(CPPC)를 도입하여 주파수와는 별개로 추상화된 "성능 수준" 형태로 수백 개의 성능 레벨을 OS에 노출하여 선택할 수 있도록 한다. 이 추상화는 프로세서가 주파수 외의 방식으로 작동 방식을 조정할 수 있는 여지를 제공한다.[9][10][11] 현대 CPU 다수는 운영체제에서 제공하는 성능 수준 범위 및 "효율성/성능 선호도" 힌트를 사용하여 자율적으로 주파수 스케일링을 수행할 수 있다.
5. 적용 예
인텔은 스피드스텝 기술을 현재의 노트북, 데스크톱에서 사용하고 있으며 서버에서는 요구 기반 스위칭이라는 이름으로 사용한다. AMD는 쿨 앤 콰이어트와 파워나우! 기술을 사용한다.
인텔의 CPU 스로틀링 기술인 스피드스텝은 모바일 및 데스크톱 CPU 라인에서 사용된다. AMD의 Cool'n'Quiet 기술은 데스크톱 및 서버 프로세서 라인에 사용된다. Cool'n'Quiet의 목표는 배터리 수명 절약이 아니라 (AMD의 모바일 프로세서 라인에는 사용되지 않음) 열을 적게 발생시키는 것이다. 이는 시스템 팬이 더 느린 속도로 회전하도록 하여 더 시원하고 조용한 작동을 가능하게 하며, 이 기술의 이름이 여기서 유래되었다. AMD의 PowerNow! CPU 스로틀링 기술은 모바일 프로세서 라인에 사용되지만, AMD K6-2+와 같은 일부 지원 CPU는 데스크톱에서도 찾아볼 수 있다.
AMD PowerTune 및 AMD ZeroCore Power는 GPU를 위한 동적 주파수 스케일링 기술이다. VIA 테크놀로지스 프로세서는 롱홀(LongHaul)(PowerSaver)이라는 기술을 사용하며, 트랜스메타의 버전은 롱런(LongRun)이라고 불렸다.
36개의 프로세서를 갖춘 AsAP 1 칩은 임의의 주파수 변경, 시작 및 중지를 포함하여 완전히 제약 없는 클록 작동을 지원하는 최초의 멀티 코어 프로세서 칩 중 하나이다. 167개의 프로세서를 갖춘 AsAP 2 칩은 개별 프로세서가 자체 클록 주파수를 완전히 제약 없이 변경할 수 있도록 하는 최초의 멀티 코어 프로세서 칩이다.
다양한 ARM 기반 [시스템 온 칩](https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C_%EC%98%A8_%EC%B9%A9)은 CPU 및 GPU [스로틀링]을 제공한다.
참조
[1]
간행물
Timing-aware power-optimal ordering of signals
2008-09
[2]
서적
Digital Integrated Circuits
Prentice Hall
[3]
웹사이트
Why has CPU frequency ceased to grow?
https://software.int[...]
Intel
2014-02-19
[4]
PDF
https://www.usenix.o[...]
2022-03
[5]
arXiv
The Energy/Frequency Convexity Rule: Modeling and Experimental Validation on Mobile Devices
[6]
웹사이트
Asus EN9600GT Silent Edition Graphics Card
http://www.silentpcr[...]
2008-04-21
[7]
웹사이트
80 Plus expands podium for Bronze, Silver & Gold
http://www.silentpcr[...]
2008-04-21
[8]
웹사이트
Advanced Configuration and Power Interface Specification, Revision 3.0, Section 2.6 Device and Processor Performance State Definitions
https://web.archive.[...]
2015-08-19
[9]
웹사이트
Collaborative Processor Performance Control (CPPC) — The Linux Kernel documentation
https://www.kernel.o[...]
[10]
웹사이트
8.4. Declaring Processors
https://uefi.org/htm[...]
[11]
웹사이트
Overview about power and performance tuning for the Windows Server
https://learn.micros[...]
2022-08-29
[12]
매뉴얼
Linux
[13]
웹사이트
intel_pstate CPU Performance Scaling Driver — The Linux Kernel documentation
https://www.kernel.o[...]
[14]
웹사이트
amd-pstate CPU Performance Scaling Driver — The Linux Kernel documentation
https://docs.kernel.[...]
[15]
간행물
Power optimization using dynamic power management
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