DPM vs DVFS: diferencias en la gestión de energía de los procesadores

Los chips más avanzados, como las CPUs y GPUs, entre otros, se calientan cada vez más por el creciente TDP, y por ello necesitan tecnologías de gestión de energía basados en métodos DPM y DVFS. Aquí te mostramos las diferencias y qué es cada uno de estos métodos.

¿Qué son las técnicas basadas en DPM?

El Dynamic Power Management (DPM) es un conjunto de técnicas avanzadas para optimizar dinámicamente el consumo de energía y el rendimiento de un procesador mientras se mantienen dentro de límites térmicos seguros. Para ello, se tienen en cuenta las lecturas de sensores de temperatura, así como otros parámetros de carga de trabajo y condiciones operativas.

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Como ya sabes, la potencia dinámica es la energía que consumen los chips cuando los transistores están conmutando. Esta potencia es: P = (𝛂 · C) · V · f, es decir, el consumo o potencia de un chip es igual al producto entre la actividad del circuito y la capacitancia de carga, por el voltaje, y por la frecuencia de reloj a la que trabaja.

Por otro lado está el consumo estático de un chips, en él se calcula a partir de las fugas eléctricas de los transistores, pero es algo que no se puede controlar dinámicamente, sino que es algo asociado a la tecnología de fabricación.

Dicho esto, para la gestión de consumo eléctrico y gestión térmica, se puede actuar sobre parámetros que sí podemos controlar de forma dinámica, como es el caso del voltaje y la frecuencia de reloj, como puedes imaginar. No obstante, también se puede hacer algo por ese consumo estático…

Existen varias técnicas para evaluar el DPM, como las basadas en la eficiencia energética o EPI, que mide la energía consumida por instrucción ejecutada, es decir, EPI = Energía total / Instrucciones ejecutadas, es decir, Performance/watt = (IPC · f) / P; las basadas en el rendimiento por vatio; y otras.

Power Gating

Esta técnica desactiva completamente partes del procesador que no están en uso (apagado total del circuito). De este modo el consumo estático bajará, ya que en las partes no activas no estará presente. No obstante, tiene un coste en el rendimiento, ya que lleva un tiempo el inicio de estas áreas apagadas cuando se necesitan nuevamente activas. Además, agrega complejidad a la implementación del chip.

Clock Gating

En lugar de apagar completamente las áreas inactivas, el clock gating detiene la señal de reloj en los circuitos inactivos. Esto ahorra energía dinámica sin afectar el estado del circuito. Es decir, si lo anterior dejaba esa parte apagada, sin voltaje ni clock, en este caso solo se desactiva la señal de reloj, reduciendo el consumo dinámico. Además, este método es más simples de implementar que el power gating, aunque no elimina el consumo estático.

Adaptive Thermal Management

La gestión térmica adaptativa utiliza sensores de temperatura integrados en el procesador para ajustar las políticas de DPM. Estas técnicas incluyen:

• Throttling térmico: reducción de la frecuencia del procesador en condiciones de alta temperatura.
• Distribución de Carga: reasignación de tareas entre núcleos para equilibrar la generación de calor. Es decir, se puede enviar la ejecución a un núcleo más frío para no sobrecargar uno que está llegando a temperaturas más elevadas.

Active-State Power Management (ASPM)

ASPM regula dinámicamente el consumo energético de los enlaces de comunicación (PCIe, memoria, etc.) cuando no están en uso intensivo. Esto incluye reducir la velocidad de transferencia de datos o poner enlaces en estados de bajo consumo. Algunas técnicas predictivas pueden incluir incluso algoritmos avanzados de inteligencia artificial para predecir la carga de trabajo futura y ajustar así los parámetros.

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¿Qué son las técnicas DVFS?

El Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) es una técnica clave para la gestión eficiente de energía en chips y que se centra específicamente en reducir el consumo dinámico. Es decir, permite ajustar dinámicamente el voltaje y la frecuencia de un procesador en función de la carga de trabajo y las condiciones operativas. DVFS no solo optimiza el consumo energético, sino que también ayuda a mitigar problemas térmicos y extender la vida útil de los dispositivos.

• Reducir el voltaje: tiene un impacto cuadrático en el consumo energético.
• Reducir la frecuencia: afecta de manera lineal al consumo.

Sin embargo, disminuir el voltaje y la frecuencia también puede reducir el rendimiento, creando un desafío para equilibrar eficiencia energética y capacidad de procesamiento. Además, como ya debes saber, el voltaje y la frecuencia están estrechamente relacionados debido a las características de los transistores:

• Una frecuencia más alta requiere un voltaje mayor para garantizar que las operaciones de conmutación se completen dentro del ciclo del reloj.
• Reducir el voltaje por debajo de cierto umbral puede causar fallos operativos, lo que establece límites en la reducción si no se acompaña de una bajada de frecuencia.

Cosas esenciales que conocerás si conoces el underclocking y overclocking, y que van de la mano del undervolting y overvolting.

El DVFS puede implementarse utilizando diversas estrategias según el nivel de granularidad, el algoritmo de ajuste y los objetivos específicos del sistema.

Políticas de escalado

Las políticas determinan cuándo y cómo ajustar el voltaje y la frecuencia:

• Escalado reactivo: el sistema responde a cambios en la carga de trabajo en tiempo real. Por ejemplo, reducir la frecuencia cuando la utilización del procesador cae por debajo de un umbral. Esto se puede implementar de forma bastante simple, solo actuando sobre el multiplicador de voltaje mediante un gobernador del sistema operativo, aunque aporta cierta latencia a la hora de reaccionar a cambios rápidos de carga.
• Escalado predictivo: utiliza algoritmos predictivos, como aprendizaje automático, para anticipar la carga futura y ajustar los parámetros de antemano. Es más complejo de implementar, pero se adapta mejor a los cambios de cargas.
• Escalado basado en gobernadores: esto son los famosos modos que incluyen los ajustes de los sistemas operativos, donde elegir políticas preconfiguradas de consumo, como el modo ahorro (Powersave), el modo de alto rendimiento (Performance) o el bajo demanda (Ondemand).

Granularidad de DVFS

La granularidad define el nivel de ajuste de DVFS dentro del sistema:

• Escalado  global: ajusta el voltaje y la frecuencia de todo el procesador como una única unidad. Se puede usar en dispositivos con menor demanda de paralelismo, como en dispositivos móviles.
• Escalado por núcleo: permite que cada núcleo del procesador tenga su propio perfil de voltaje y frecuencia. Esto aporta mayor flexibilidad y es frecuente en sistemas de mayor rendimiento, como el PC y HPC.
• Escalado por dominio funcional: aplicado a subsistemas específicos, como unidades de procesamiento gráfico (GPU), ciertas unidades de ejecución, o controladores de memoria. Esto aumenta la complejidad respecto a los anteriores, pero puede optimizar la gestión de energía de forma más localizada. Se suele usar en SoCs y chips heterogéneos.

Aunque DVFS ofrece beneficios significativos, presenta varios desafíos como en el caso del DPM. Por ejemplo, los tiempos de transición, ya que los cambios en voltaje y frecuencia no son instantáneos, lo que puede causar latencias no deseadas en sistemas críticos. Además, en chips sub-7nm, el consumo estático es más relevante respecto al dinámico, lo que reduce la eficacia de estas técnicas.

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