[분석정보] Skylake의 SpeedShift로 P스테이트의 소비 전력 삭감을 실현

 

Intel은 IDF15 기술 세션에서 제 6세대 Core 프로세서 (개발 코드명 : Skylake) 마이크로 아키텍처에 대해 설명을 했다. 그 중에서도 특히 모바일 PC 사용자에게 주목될만한 새로운 절전 기술 "Intel Speed​​Shift Technology"(이하 Speed​​Shift)가 소개되었다.

 

Haswell / Broadwell 세대에서는 아이들 (C 상태)의 소비 전력을 절감

 현대의 마이크로 프로세서의 소비 전력을 말하려면 CPU가 어떻게 움직이고 있는지를 이해할 필요가 있다. 마이크로 프로세서는 크게 활성화 모드와(액티브) 휴식(아이들) 모드가 있다. OS가 동작하고 CPU가 뭔가 처리하는 때에는 활성화시의 모드가 된다.

 PC / AT 호환 기의 전력 동작을 규정하고 있는 ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)의 표준은 이 활성화 될 때의 상태를 "P 상태"라고 정의하고 있다. 다른 하나는 OS 나 응용 프로그램이 일시 정지 (휴식) 상태에 있는 모드로, 이것은 C 상태가 된다. 마이크로 프로세서는 P 상태 (활성)와 C 상태 (휴식)를 왔다 갔다 하면서 필요에 따라 작동하여 전력 소모를 최소화하는 구조로 되어있다.

 Intel은 4세대 Haswell에서 C 상태의 전력 절감을 개선했다. 기존에는 C0 ~ C6까지 밖에 없었던 C 스테이트를 확장해 C7 ~ C10 이라는 절전 아이들 상태를 추가했다. C7 ~ C10은 기존에는 못했던 칩셋의 전력 관리를 보다 효율적으로 수행 등의 기능이 추가되어 아이들시의 소비 전력이 절감되었다. PC가 동작하고 있을 때의 대부분은 OS가 휴식 상태가 되어 마이크로 프로세서는 C 스테이트로 이행하므로 Haswell과 제 5세대 Broadwell은 이전 세대에 비해 더 오랫동안 배터리 구동이 실현되었다.

활성때 (P 스테이트)의 전력 관리를 담당해온 15년 전에 등장한 Speed​​Step

 이에 대해 Skylake 세대에서는 Haswell / Broadwell 세대에서 실현된 C 스테이트 절전 이외에 P 스테이트의 절전 기능이 향상된다.

 지금까지 Intel의 마이크로 프로세서에서 P 상태의 전력 관리를 담당해 온 것은 Intel Speed​​Step Technology (이하 Speed​​Step)라는 기술이다. Speed​​Step은 쉽게 말하자면, 클럭 주파수와 구동 전압을 동적으로 변화시키는 것으로 소비 전력을 절감하는 기능이다. 마이크로 프로세서의 소비 전력은 클럭 주파수에 비례하여 구동 전압은 2 승에 비례하여 늘어난다. 따라서, 클럭 주파수와 구동 전압을 모두 낮추는 것이 전력을 줄이기 위해 가장 좋다고 할 수있다.

 그러나 전압을 올려야 클럭 주파수도 오를 수 밖에 없기 때문에 성능을 높이면 전력이 증가해 버린다. 그래서 성능이 필요없는 상황에서는 구동 전압도 클럭 주파수도 낮추어 작동시켜 성능이 필요한 경우에는 구동 전압과 클럭 주파수를 올리고 동작시킴으로써 성능과 전력의 균형을 취할 수 있다. 이것이 Speed​​Step의 기본적인 생각이다.

 1999 년에 발표된 최초의 Speed​​Step은 AC 어댑터의 유무로 상위 클럭 / 전압, 낮은 클럭 / 전압을 전환하는 간단한 것이었다. 그 후 2001년에 출시된 130nm로 미세화 된 Pentium III 프로세서 (개발 코드 명 : Tualatin)에서는 Enhanced Intel Speed​​Step Technology (EIST)라는 진화 버전이 출시되었다. EIST는 최고와 최저는 2가지 포인트 뿐만 아니라 클럭 / 전압을 다단계로 전환 할 수있게 하며 트리거로 AC 어댑터의 유무뿐만 아니라 CPU에 걸리는 부하에 따라 변경 가능하게 되었다 .

 기본적으로 이후 출시된 Intel의 마이크로 프로세서는 EIST가 P 상태의 절전 기능으로 이용되어 왔다. 다만, 그 후에도 기능의 확장이 이루어 않은 것은 아니다. 구체적으로는, Nehalem 세대에 도입된 Intel Turbo Boost Technology는 일종의 EIST 확장이라 해도 좋다. Turbo Boost는 시스템이 춥고 열 설계에 여유가 있는 상태 일 때, 규정의 가동 시간 보장 주파수 이상의 클럭 주파수 / 전압으로 끌어 올리는 기능이다. 즉, EIST가 그 기능을 전력 절감을 향해있는 반면, Turbo Boost는 그 역으로, 그것을 성능 향상에 사용한다는 것이다. 이러한 개선은 있었지만, 절전 기능이라는 관점에서 생각하면, 기본적으로 1999 년에 도입된 Speed​​Step이 그대로 이용되어 왔다.

 

 

Speed​​Step Technology의 방식. P 상태에서 클럭 / 전압을 CPU의 부하에 따라 단계적으로 변화시킴으로써 에너지를 절감하고 있다. 푸르게 표시되는 부분이 Turbo Boost의 도입으로 확장 된 부분

 

마이크로 프로세서에 내장된 PCU에 의해 자동 제어되는 Speed​​Shift

 그러한 P 스테이트의 절전 기능을 크게 확장하는 것이 Skylake에 투입되는 Speed​​Shift이다. 기존의 EIST가 OS를 포함한 소프트웨어 측이 제어를 행하도록 구현 실현되고 있던 반면 Speed​​Shift는 클럭 주파수 / 전압의 변동을 하드웨어가 내부 알고리즘에 따라 제어한다.

 Intel의 마이크로 프로세서는 PCU (Power Control Unit)라는 전원 관리 하드웨어를 가지고 있으며, Skylake는 이 PCU가 원래 가지고 있는 알고리즘에 따라 자동으로 CPU 주파수와 전압을 관리한다. 구체적으로는 최고 주파수 (기존의 Turbo Boost시 최고 클럭), 가동 보증 주파수 (기존의 베이스 클럭), 최적 전력 주파수 (Pe라는 자동차 엔진의 가장 연비가 좋은 회전 수의 종류 라고 생각하면 알기 쉽다), 최저 주파수 등이 정의되어 그 중간 주파수로 설정하는 것도 가능하다.

 

 

근래 Intel의 마이크로 프로세서는 PCU가 내장되어 있으며, PCU가 모든 것을 통제

 

 Skylake의 PCU는 밀리 초마다 정해진 알고리즘에 따라 계산하면서 애플리케이션 및 워크로드에 따라 다른 최적 전력 주파수를 찾으면서, 필요에 응해 최대 주파수에 올리거나 가동 보증 주파수로 설정하거나 최적 전력 주파수로 설정하거나 하는 것을 자동으로 행한다. 또한 최저 주파수는 Skylake 세대의 경우에는 100MHz로 되었다.

 

Speed​​Shift는 소비 전력과 성능의 완벽한 균형을 PCU가 계산하면서 작동

 

 이 자동 제어 기능은 OS 측에서 끄는 것도 가능하다. 이 경우 기존의 Speed​​Step과 마찬가지로 OS 측에서 CPU 부하 등을 체크하면서 주파수의 오르 내림을 요청 할 수 있다. 또는 OS 측에서 이 정도의 전력 절감을 했으면 하는 것 등의 요청을 내는 구조도 준비되어 있다.

 PCU에서 자동 제어를 행하는 경우의 장점은 기존의 Turbo Boost로 관리되어 있던 부분도 포함하여 최저 주파수에서 최고 주파수까지 평평하게 컨트롤 하는 것이다. 이것에 의해, 필요에 응해 성능을 향상시킬 수 있으며, OS의 응답성을 개선하고, 최적 전력 주파수 근처가 되는 정도에 접근해서, 기존 보다 효율적 전력 관리를 행할 것이다.

 

Speed​​Shift에서는 Turbo Boost의 영역을 포함하여 CPU가 평평하게 컨트롤 할 수있다. 모두 CPU의 내부에서 완결하기 때문에 더 효율적으로 이용하는 것이 가능.

 

 

Windows 10의 향후 업데이트에서 이용 가능, Windows 10 + Skylake에서 더욱 장시간 배터리 구동이 실현된다

 이 Speed​​Shift를 이용하려면 OS 측의 구현이 필요하다. Intel에 의하면, Windows 10의 Speed​​Shift 구현을 현재 Microsoft와 협력하여 진행하고 있는 단계라 한다. 조만간 출시 예정인 Windows 10의 업데이트 등으로 구현된다. 물론 Speed​​Shift를 사용할 수 없는 OS는 Speed​​Step 마이크로 프로세서로 작동하기 때문에 Windows 7/8 등의 이전 Windows와 현재의 Windows 10에서 이용하​​는데 있어서 문제가 없다. 또한 Linux 관해서도 현재 Linux 커뮤니티와 협력하여 개발을하고 있다는 것이다.

 IDF에서 개최된 기술 세션에서는 벤치 마크 결과도 나타나 WebXPRT15과 TabletMark3 같은 벤치 마크 테스트에서는 처리 능력은 상승하고 있는데, 소비 전력은 떨어지는 것으로 나타났다. 전체로 생각하면, P 스테이트 때의 소비 전력이 내려 가기 때문에 PC를 배터리로 쭉 응용 프로그램을 돌리는 그대로 쓰는 등 사용법이면 성능이 향상되고, 또한 배터리 구동 시간이 늘어나는 동작이 실현되는 것이다.

 

IDF의 기술 세션에 표시된 Speed​​Shift를 활성화 또는 비활성화 한 경우 벤치 마크의 차이. WebXPRT15는 성능은 향상하고 소비 전력도 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 한편 사용법에 따라 거의 변하지 않는 경우도 있다고 한다. 사용법에 의존하는 것 같다

 

2-in-1 장치 또는 얇은 노트북 PC를 운반하며 사용하는 유저에게는 조금이라도 편하게 장시간 배터리로 이용하고 싶다는 희망이 있다고 생각한다. Haswell에서 새로운 C 스테이트의 추가 등으로 그 희망은 크게 실현되었다고 말할 수 있지만, Skylake는 그것에 더해 P 스테이트의 새로운 제어가 더해져, 거듭 장시간 배터리 구동이 실현될 가능성이 있다. Windows 10으로 구현과 함께, 향후 등장하는 Windows 10 탑재 노트북 PC나 2-in-1 장치 등으로 구현되는 것을 기대하고 있다.

 

[분석정보] Skylake 아키텍처의 수수께끼 2 - 5명령 디코더와 6명령 uOP캐시

 

 

[분석정보] 슬라이드로 보는 Skylake 아키텍처의 개요

 

 

[분석정보] 인텔의 차세대 마이크로 아키텍처 스카이레이크

 

 

[분석정보] 현행 SSD 보다 7배 빠른 3D Xpoint 탑재 SSD 시현

 

 

[분석정보] Intel 3D XPoint 베이스 SSD와 Curie의 실제 실리콘을 데모

 

 

[분석정보] PC 게임에 힘을 쏟는 인텔

 

 

[분석정보] 클라이언트에서 서버까지 토털 솔루션을 제공하는 Intel의 IoT

 

 

[분석정보] Intel의 새 메모리 3D XPoint가 DIMM으로 투입되는 배경

 

 

[분석정보] Skylake 아키텍처의 수수께끼 2 - 5명령 디코더와 6명령 uOP캐시

 

 

[분석정보] Atom의 절전 기술도 탑재한 Nehalem

 

 

[정보분석] 배터리로 20일간 아이들 상태로 가능한 차세대 하스웰 Ultrabook

 

 

[정보분석] IDF 2011 인텔 하스웰(Haswell)의 다이와 절전 기술

 

 

[아키텍처] IDF 2012 인텔 차세대 주력 CPU Haswell(하스웰) 공개

 

 

[모바일 리뷰] ThinkPad Tablet 2 & ThinkPad X1 Carbon

 

 

[정보분석] Atom Z2760을 철저 분석 ~ 모바일 Windows 사용자의 새로운 선택

 

 

[아키텍처] 인텔 22나노 아톰(ATOM) CPU코어 실버몬트(Silvermont) 세부 사항

 

 

[분석정보] 2013 컴퓨텍스 타이페이 4세대 Core 프로세서로 시작된 PC 업계의 대역습

 

 

[분석정보] 스마트폰과 비슷한 사용법을 실현하는 Intel의 S0ix구현

 

 

[분석정보] 컴퓨텍스 2013 태블릿 윈도우 라이센스 재검토 시작 윈텔(Wintel) 제국의 역습

 

 

[분석정보] IDF 2013 베이징 Intel 프로세서에서 가능한 것은 Windows 만이 아니다

 

 

[정보분석] CES 2013 Intel, Haswell을 탑재한 레퍼런스 하이브리드 PC 공개

 

 

[정보분석] 아웃 오브 오더 및 최신 프로세스를 채택하는 향후의 Atom

 

 

[벤치리뷰] 스카이레이크 스피드 시프트

 

 

[벤치리뷰] 인텔 스카이레이크 코어 i3 6100 리뷰

 

 

[벤치리뷰] 스카이레이크 Core i3-6100

 

 

[벤치리뷰] 코어 i3 6100, i3 6300, i3 6320 테스트

 

 

[벤치리뷰] Intel 스카이레이크 코어 i5 6600K 리뷰

 

 

[벤치리뷰] Intel Skylake: Core i7 6700K review

 

 

[벤치리뷰] 스카이레이크 아키텍처를 채용한 Core i7-6700k

 

 

[분석정보] AMD가 차세대 Zen 개요를 더욱 밝혀