Cómo funcionan los modos Turbo en la CPU y en la GPU

Como bien sabrás, las actuales CPUs y GPUs, usan lo que se denomina modos Turbo para acelerar la frecuencia de reloj en momentos dados cuando se necesita y se dan las condiciones para que se haga. Pues bien, en este artículo te explicaremos cómo funcionan esos modos.

¿Qué es DVFS?

Las siglas DVFS corresponden a Dynamic Voltage and Frequency Scaling, es decir, al escalado dinámico de voltaje y frecuencia. Esto es una combinación entre el DFS y el DVS, que corresponden al escalado dinámico de frecuencia y de voltaje respectivamente. Gracias a esta tecnología de throttling, se puede administrar mejor la energía, la temperatura, y el rendimiento según la demanda de carga de cada momento.

Básicamente, las técnicas DVFS consisten en realizar un underclocking/undervolting o un overclocking/overvolting según las necesidades del sistema en cada momento. Y todo esto estará controlado por el sistema operativo a través de gobernadores que interactúan con el sistema ACPI.

Como sabrás, y como comentaré con más detalle más adelante, debes saber que la Potencia disipada por un chip es:

P = C · V ² · A · F

Donde C es la capacitancia de conmutación del chip, V es el voltaje al que trabaja, A es el factor de actividad que indicará el número medio de conmutaciones de transistores por ciclo de reloj y F es la frecuencia de reloj a la que trabaja el chip. Por eso, alterando los valores de frecuencia y voltaje, ya que los otros no se pueden alterar, se permite que la CPU o GPU consuman y disipen más o menos energía. Por ejemplo, una CPU podría ponerse a trabajar a 500 Mhz cuando está ejecutando un procesador de textos, o trabajar a 3.2 Ghz cuando está ejecutando un videojuego.

Sin embargo, como bien sabes, en los actuales chips, se ha ampliado tanto la potencia y la complejidad, que no siempre todas las partes están trabajando a la vez, esto es lo que se conoce como dark silicon. Pero puede que algunos núcleos puntuales puedan llegar a frecuencias muy superiores a las de stock o nominales, de eso trata el modo Turbo.

DVFS: marcas registradas

Muchos fabricantes suelen patentar marcas registradas para denominar a sus implementaciones de DVFS por cuestiones de marketing, aunque se refieren a lo mismo. Esto puede generar confusión en el usuario, pero aquí te resumo algunas:

• Intel:
  • SpeedStep:  es una tecnología para el escalado de frecuencia y voltaje de forma dinámica para la CPU.
  • Turbo Boost: similar al anterior, pero se modifican los valores de voltaje y frecuencia de reloj para alcanzar frecuencias muy elevadas en momentos puntuales para la CPU.
  • ABT: una tecnología turbo exclusiva para el Core i9.
• AMD:
  • PowerNow! o Cool’n’Quiet: es la tecnología de escalado dinámico de frecuencia y voltaje en la CPU, equivalente a SpeedStep de Intel.
  • Turbo Core: para el aumento de frecuencia en momentos puntuales en la CPU, similar a la Turbo Boost de Intel.
  • PowerPlay, PowerTune o ZeroCore Power: el escalado dinámico de frecuencia y voltaje para las GPU Radeon.
• NVIDIA:
  • Dynamic Boost: una tecnología capaz de cambiar de forma dinámica la energía CPU/GPU.
  • Max-Q: otra tecnología de control dinámico impulsada por IA y para GPUs Mobile, es decir, para portátiles.
• VIA Technologies:
  • LongHaul o PowerSaver: lo mismo que SpeedStep o PowerNow!, es decir, para el escalado dinámico de frecuencia y voltaje para la CPU.
• Transmeta:
  • LongRun: otra más de escalado dinámico de frecuencia y voltaje en la CPU.
• Otros…
  • Por supuesto, otros también usan sistemas DVFS similares, como es el caso de los SoCs Arm, Apple, etc.

Relación modo Turbo y TDP

Como bien sabes, la potencia dinámica o potencia de conmutación de un chip que he mencionado anteriormente, depende de la capacitancia, el voltaje, el factor de actividad y la frecuencia. Esta potencia no solo está relacionada con el consumo de energía eléctrica (aunque habría que sumar también la potencia estática para determinar el consumo o potencia total del chip, ya que también se produce consumo de forma estática debido a las corrientes de fuga), también con la temperatura emitida que habrá que disipar.

El voltaje y la frecuencia de reloj tienen un impacto directo con la temperatura disipada o potencia térmica, y eso está directamente relacionado con el TDP (Thermal Design Power). Se mide en vatios (w) y la calcula el diseñador del chip para hacer referencia a un parámetro de disipación térmica que permite poder elegir el sistema de refrigeración adecuado, pero también se puede controlar para interferir con los modos Turbo como verás…

¿Qué es Turbo Boost de Intel y cómo funciona?

Intel presentó su tecnología Turbo Boost hace tiempo. Con ella se podía escalar la frecuencia de reloj de forma puntual, según algunos parámetros que luego analizaremos, como puede ser la distancia hasta el TDP máximo en la que está la CPU en el momento, o la temperatura.

Este es uno de los modos Turbo, y no tiene una frecuencia de reloj fija, como muchos piensan. Lo que se da en las especificaciones técnicas del procesador es la frecuencia límite a la que puede llegar. Por ejemplo, si un procesador trabaja a una frecuencia de 3.7 Ghz y llega a los 4.6 Ghz en Turbo Boost mode, esto supone hasta 900 Mhz de aumento, pero no en todo caso se pondrá a esa velocidad. Lo hará por incrementos de forma progresiva, hasta que sea posible.

La primera vez que se implementó esta tecnología se producían incrementos de 133 Mhz en Nehalem y Westmere, ahora, a partir de Sandy Bridge, los saltos son de 100 Mhz en 100 Mhz. La versión Turbo Boost Max, que ha tenido varias revisiones desde su lanzamiento, también permite incrementar la frecuencia de reloj en pasos de 200 Mhz, pero la aumentará de forma más extrema solo en aquellos núcleos que son mejores, ya que no todos son exactamente iguales debido a diferencias o fallos en la fabricación.

Lo que ha hecho Intel es emplear Turbo Boost Max para los P-Cores, o núcleos de alto rendimiento, mientras que para los E-Core, o núcleos eficientes, se emplea la Turbo Boost convencional.

Definición de PL1, PL2 y Tau

Para determinar cómo funciona los modos Turbo de Intel, también hay que conocer otros parámetros importantes. Estos conceptos son algo confusos, y desconciertan a los usuarios. Por ejemplo, nos podemos encontrar con un chip Intel Core que tenga un TDP de 95W, pero que realmente puede llegar a un TDP máximo de 225W. En este caso, los 95W se refieren al TDP para la frecuencia de stock, mientras que el TDP máximo se refiere al alcanzado en el modo Turbo.

Los conceptos que hay que destacar para tender esto son:

• PL2 (Power Level 2): se refiere al modo Turbo de la CPU, en el que se llega a una potencia de disipación máxima.
• PL1 (Power Level 1): es la potencia cuando la CPU está trabajando en la frecuencia de stock, es decir, sin activar el modo Turbo.
• Tau: se refiere al tiempo que el chip puede permanecer en el estado PL2, es decir, en los modos Turbo, sin que sufra daños. Por tanto, será un tiempo limitado.

Dicho esto, cuando un procesador pasa del PL1 al PL2, permanecerá en PL2 un tiempo Tau. Una vez llega ese momento, volverá el estado PL1 para evitar problemas de sobrecalentamiento, o daños por un elevado TDP de forma prolongada. No obstante, hay que decir que Intel no impone un PL2 concreto, ni tampoco un Tau específico. Todo dependerá del firmware de la placa base, que los fabricantes pueden optimizar como prefieran para un PL2 mayor y un Tau más corto, o un PL2 inferior y un Tau más largo.

Por poner un ejemplo, un Intel Core i9-10900K tiene un PL1 de 125W, mientras que el PL2 es de 250W. El Tau es de 56 segundos. En cambio, el i7-10700K tiene un PL1 de 125w, un PL2 de 229W, y un Tau de 56s. Mientras que el i7-10700, es de 65W, 224W y 29 segundos para el PL1, PL2 y Tau respectivamente.

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¿Qué es Turbo Core de AMD y cómo funciona?

AMD también ha implementado su propia tecnología, sus modos Turbo como Intel. En este caso se conoce como AMD Turbo Core. La forma de trabajar es bastante parecida, permitiendo que la CPU pueda ir desde una frecuencia de reloj de stock determinada a una frecuencia máxima durante un tiempo limitado.

AMD Turbo Core puede adaptarse también a las cargas pesadas, aumentando el rendimiento de forma puntual subiendo la frecuencia de reloj. Concretamente, puede escalar hasta 900 Mhz, pero en este caso los pasos serán más «cortos» que los de Intel, ya que se incrementa en +25 Mhz en cada paso.

De la misma forma que ocurre con los Intel Turbo Boost, AMD también ha mejorado sus versiones, con tecnologías como:

• Precision Boost: permite incrementar la frecuencia de reloj en dos núcleos o en todos los núcleos. Si se hace solo en dos núcleos, será un impulso mayor, mientras que si se aplica a todos será inferior para no generar un TDP muy elevado, o problemas de daños por temperatura elevada.
• Precision Boost 2: esta segunda generación permite que todos los núcleos funcionen a la frecuencia máxima cuando el consumo y la temperatura lo permiten.
• Precision Boost Overdrive (PBO): es similar a la Intel Turbo Boost Max, donde se altera el voltaje directo de los núcleos de CPU y permite ganancias de rendimiento superiores.
• XFR2 (Xtended Frequency Range): trabaja junto con Turbo Precision Boost 2. Evaluará constantemente hasta dónde se puede extender la frecuencia de reloj en función de la refrigeración. Por eso, cuanto mejor sea la refrigeración, mayor será el impulso que conseguirás.

Definición de PPT, TDC y EDC

Como ocurría con los chips de Intel, AMD también tiene sus propios conceptos o términos que pueden resultar confusos. En vez de PL2, PL1 o Tau, AMD emplea  PPT, TDC y EDC. Por ejemplo, para el caso de un Ryzen 7 5800X3D es:

Actualmente, AMD también ha introducido un modo ECO, en este caso bajará por debajo del TDP por defecto.

Si te preguntas qué significan esos términos de AMD, básicamente tenenos:

• TDC (Thermal Design Current): se refiere a la máxima corriente (A) que puede entregar la placa base con escenarios de restricciones térmicas.
• EDC (Electrical Design Current): corriente de diseño eléctrico (A), un valor que la placa base indica a la CPU y que representa la corriente máxima que los VRM pueden manejar a corto plazo.
• PPT (Package Power Tracing): es la forma que tiene AMD de referirse al consumo máximo que puede tener un procesador, es decir, cuando los modos Turbo están activos.

El caso de las GPUs

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Todo lo dicho anteriormente para la CPU, también se puede aplicar a la GPU de Intel, NVIDIA y AMD, ya que todas ellas implementan también sus propios modos Turbo similares a la forma de trabajar de los de las CPUs. Por tanto, la teoría que puedes aplicar sería la misma…