Así logra Intel hacer más eficientes y consumir menos a sus CPU

El consumo de los procesadores de Intel es un tema que ha hecho correr varios ríos de tinta y que trae confusiones a muchos de los usuarios. Es por ello que hemos decidido escribir un artículo para explicaros cómo funciona el consumo energético de un procesador y para que veáis que no es tema que podamos calificar como blanco o negro, sino con una escala de grises.

Si miramos las especificaciones técnicas de los procesadores de Intel observaremos que se marcan varios consumos energéticos diferentes, lo cual lleva a varias confusiones por parte de muchos usuarios. ¿Cómo se produce la transición de unos a otros, que reglas siguen y cuáles son los motivos para tener varios perfiles de consumo en una misma CPU.

Consumos energéticos en un procesador Intel

consumo energético procesador

Tanto si hablamos de una CPU como de una GPU a día de hoy lo que se busca es que consuman la menor cantidad de energía posible, lo que también significa reducir el calor que desprenden. Para ello hay métodos que hacen fluctuar las velocidades de reloj y el voltaje utilizado en cada momento. Y es que no siempre vamos a necesitar toda la potencia de un procesador, ya que podemos estar ejecutando un entorno de muy poca carga de trabajo donde para el usuario ejecutar el procesador a mayor velocidad no supone una mejora visible en rendimiento.

Hemos de tener en cuenta que la fórmula de consumo en un procesador es la siguiente:

Consumo = Capacitancia*frecuencia de reloj*voltaje al cuadrado

La capacitancia en un procesador es una constante, por lo que las variables que se emplean para fluctuar el consumo energético, medido en vatios (W), son la frecuencia de reloj y el voltaje. La relación entre ambos es que a mayor velocidad de reloj que queramos alcanzar mayor es el voltaje que necesitamos, esto provoca que el aumento de consumo no sea lineal, sino más bien exponencial.

Ahora bien, nos podemos encontrar que una misma velocidad de reloj puede ser alcanzada por diferentes voltajes y es ideal de cara al consumo tener el valor más bajo, aunque esto de cara a aumentos temporales de la velocidad de reloj es contraproducente, ya que puede ser que esa velocidad pico no pueda ser alcanzada sin utilizar un valor más alto.

¿Qué es el estándar ACPI?

Desenchufar PC

Para entender los diferentes estados consumo de un procesador Intel hemos de entender primero cómo funciona el estándar ACPI, siglas que significan Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) que se traduciría en Configuración Avanzada e Interfaz de energía. Esto le da al sistema operativo las siguientes capacidades:

  • Explorar y descubrir nuevos componentes o periféricos conectados a las interfaces de E/S. Lo que además permite el Plug and Play y el Hot Swapping.
  • Realizar el control del consumo energético, lo que les permite variar la velocidad de reloj y el voltaje consumido por cada uno de ellos.
  • Tener la capacidad para poner a dormir al procesador y los diferentes componentes del hardware.
  • Es clave para el software y hardware de monitorización.

Se trata de un estándar existente en los procesadores desde 1996 y define los siguientes estados globales de cara al consumo en un PC:

  • G0: el ordenador está funcionando al cien por cien de su capacidad.
  • G1: el sistema se encuentra en reposo, por lo que está encendido, consumiendo lo mínimo posible
  • G2: el sistema está en reposo, pero la ejecución del software se ha parado por completo, por lo que no hay ejecución en segundo plano.
  • G3: cuando se activa este estado todo el ordenador se apaga.

En este artículo hablaremos de lo que ocurre cuando el ordenador está en modo G0 y por tanto no tendremos en cuenta modos de reposo o hibernación que se definen a través de los C-States. Más que nada por el hecho que creemos importante romper con el mito de los altos consumos en las CPU de Intel.

Los P-States y el consumo en procesadores Intel

P-States-Gráfico

Para que los P-States estén activos es necesario que el PC en estado G0 y por tanto C0, donde los estamos hablando de que la CPU se encuentra en funcionamiento y por tanto se encuentra ejecutando código. Es decir, el uso habitual de la CPU donde esta tiene acceso a toda la energía que le puede dar la fuente de alimentación a través de la placa base

Según el estándar original de la ACPI ha de ser el sistema operativo, el cual se encarga de gestionar los diferentes procesos el encargado de manejar energéticamente a la CPU, aunque a partir de la arquitectura Intel Sky Lake en adelante se hicieron cambios importantes y los P-States dejaron de estar controlados por el sistema operativo para ser una unidad de hardware la encargada de ir variando de un estado a otro tomando para ello información de los MEMS internos

La cantidad de P-States varía en cada procesador y va escalando desde la velocidad de reloj más baja y el uso de un solo núcleo hasta el que utiliza todos los núcleos a la mayor velocidad de reloj posible. Hemos de tener en cuenta que la velocidad de reloj total se consigue a partir de una frecuencia base que puede ser multiplicada varias veces, por lo que no se cogerá una velocidad de reloj aleatoria, sino que ira variando el multiplicador según sea conveniente.

Los P-States hacen a los procesadores más eficientes

Gráfica P-States Consumo Procesadores Intel

Como podéis ver en el gráfico de arriba, el cual es un ejemplo ilustrativo, el consumo energético de los procesadores Intel en cada uno de los P-States estrechamente relacionado con el voltaje y recordemos que este está relacionado con la velocidad de reloj, pero de cara a conseguir una mayor eficiencia se hace uso de una variable adicional.

Pues ni más ni menos que la carga de trabajo que tiene la CPU y dado que está lo que hace es ejecutar instrucciones la carga de trabajo viene definida de entrada por la cantidad de instrucciones que tiene que ejecutar. Lo que ocurre a día de hoy es que tenemos entornos multitarea donde varios programas y sus procesos se ejecutan simultáneamente al mismo tiempo y en sistemas multinúcleo, por lo que tenemos diversas cargas de trabajo que se distribuyen entre los diferentes núcleos.

Intel Core Render Genérico CPU

Al ser el sistema operativo el que asigna dichos procesos a los diferentes núcleos sabe cuál es su nivel de carga de trabajo sobre cada uno. No obstante, se guardan bajo llave no lo que hace cada instrucción sino también cuanto consume cada una al ejecutarse, a día de hoy dentro de la CPU existen a una serie de unidades de hardware encargadas para ello. Dicha tecnología es clave para reducir el consumo de los procesadores de Intel y hacerlos más eficientes según las aplicaciones que ejecuta.

¿Y qué define cada P-State? Pues la cantidad de núcleos activos, la velocidad de reloj y el voltaje en cada uno de ellos, claro está tener un procesador para gaming es como tener un coche superdeportivo y no quieres que haya un límite de velocidad, especialmente si estás compitiendo o en nuestro caso ejecutando una aplicación de alto rendimiento como son los juegos.

¿Qué son PL1, PL2 y PL4 en las CPU Intel?

Intel PL1-PL2-PL4 Consumo Procesadores

El consumo máximo de los procesadores de Intel viene marcado por las constantes Power Limit que marcan el límite en vatios que puede consumir un procesador, siendo PL1 el límite normal en que la CPU puede alcanzar durante el 100% del tiempo.

En cuanto al PL2, muchos habréis observado que existe una frecuencia de Boost, la cual en los procesadores de Intel es llamada Turbo y es que el fondo la analogía con un coche superdeportivo es ideal para entender esto, ya que le da al procesador una potencia adicional por un tiempo limitado, aumentando su velocidad de reloj durante el mismo, en total hasta 100 segundos.

El modo PL4 por otro lado corresponde a una micro aceleración, de solo 10 microsegundos, por lo que solo para unas pocas instrucciones y para alcanzar velocidades mucho más allá, que por lo altas que son no son sostenibles para el procesador a largo plazo. No es un modo que se utilice habitualmente e Intel no lo tiene apenas documentado.

¿PL1= PL2 en Intel Core 12, cómo afecta al consumo?

Intel Core 12 PL1 PL2 consumo procesadores

Un cambio que ha realizado Intel en su arquitectura Alder Lake-S es el hecho que PL1=PL2, una afirmación que a muchos les ha provocado confusiones por el hecho que en anteriores arquitecturas de CPU de la compañía el modo PL2 tenía una duración de hasta 100 segundos en el que la gráfica de consumo realizaba un puente en que el consumo primero crecía de manera progresiva, se mantenía un buen tiempo en PL2 para luego disminuir progresivamente a PL1.

Digamos que existe la posibilidad en las CPU con la arquitectura Alder Lake-S de hacer funcionar el procesador en modo PL2 como si fuese el modo PL1 y que se puedan alcanzar las velocidades de reloj máximas sin límite de tiempo. Lo cual tiene consecuencias obvias sobre la durabilidad y el consumo de la CPU, pero es por ello que hemos explicado con anterioridad los P-States.

Hay que tener en cuenta que de cara a los consumos en los procesadores Intel los PL asignados a cada procesador son un límite y no siempre se llega a este, por lo que la CPU ira variando su velocidad de reloj y el voltaje según sus necesidades y no siempre consumirán ese máximo. Incluso hay unidades que cuando no se utilizan se apagan o se les baja su velocidad de reloj para que consuman menos.

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