ความแตกต่างระหว่าง C-States และ P-States ของ CPU คืออะไร?

ในโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ การจัดการพลังงานไม่ใช่สวิตช์ตัวเดียว แต่เป็นชุด กลไกการประสานงาน (C-States และ P-States ของ CPU เป็นต้น) ที่ระบบปฏิบัติการ เฟิร์มแวร์ และตัว CPU เองใช้เพื่อปรับการใช้พลังงาน อุณหภูมิ และประสิทธิภาพแบบเรียลไทม์ บทความนี้จะสรุปและเรียบเรียงคำย่อต่างๆ เหล่านี้ เพื่อให้คุณเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นเบื้องหลังเมื่อคอมพิวเตอร์ของคุณประหยัดพลังงานหรือเร่งความเร็ว

แม้ว่าผู้ผลิตและตระกูล CPU แต่ละรายจะเพิ่มสัมผัสของตัวเอง แต่ก็มีพื้นฐานร่วมกันดังนี้: ACPI กำหนด “สถานะ” มาตรฐาน สำหรับระบบ อุปกรณ์ และโปรเซสเซอร์ ในส่วนนี้ คุณจะเห็นความแตกต่างระหว่าง C-States และ P-States ว่าเกี่ยวข้องกับ G/S/D-States อย่างไร ผลกระทบต่อความหน่วงในโลกแห่งความเป็นจริงเป็นอย่างไร เหตุใดเกมเมอร์และนักเล่นเครื่องเสียงมืออาชีพจึงมักปิดโหมด Deep Sleep และมีเครื่องมือที่ใช้งานได้จริงใดบ้างสำหรับใช้งานบน Windows, Linux และสภาพแวดล้อมอย่าง ESXi

ACPI โดยย่อ

ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) เป็นมาตรฐานที่ควบคุมพลังงานในพีซีและเซิร์ฟเวอร์ และ แทนที่ APM ด้วยการควบคุมและรายละเอียดที่มากขึ้นถือกำเนิดจากมือของ Intel, Microsoft และ Toshiba ในยุค 90 และพัฒนาจนรวมถึงบัสสมัยใหม่ 64 บิต มัลติโปรเซสเซอร์ (PCIe, SATA, USB 3.x) และการตรวจจับเหตุการณ์ (เช่น ปุ่มเปิด/ปิด)

แม้ว่า ACPI จะถูกใช้เป็นหลักในตระกูล x86 แต่ก็ถูกนำไปใช้งานบนสถาปัตยกรรมอื่นๆ ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม บนอุปกรณ์เคลื่อนที่ ARM ใช้กลยุทธ์ที่เป็นกรรมสิทธิ์ (เช่น big.LITTLE และคลัสเตอร์ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน) เพื่อสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการตอบสนองตามโหลด

รัฐทั่วโลกและรัฐที่ถูกระงับ (G-States และ S-States)

สถานะทั่วโลกอธิบายถึงสถานะที่สมบูรณ์ของระบบ สิ่งสำคัญที่สุดคือ G0/S0 (ทำงาน)ที่ซึ่งคอมพิวเตอร์ทำงานอยู่ บนฮาร์ดแวร์รุ่นใหม่ๆ มี S0ix (สถานะย่อยของ S0) ซึ่งช่วยให้สามารถเข้าสู่โหมดสลีปได้อย่างดีโดยที่ SoC บางส่วนอยู่ในโหมดสลีป โดยเฉพาะในแล็ปท็อป

• จีโอ/เอสโอ: ระบบกำลังดำเนินการอยู่
• G1 (นอนหลับ): ครอบคลุม S1, S2, S3 (ระงับการใช้งานไปยัง RAM) และ S4 (ไฮเบอร์เนตไปยังดิสก์) S3 ช่วยให้ RAM ทำงานได้ เพื่อกลับมาดำเนินการต่ออย่างรวดเร็ว S4 ล้างหน่วยความจำไปยังหน่วยเก็บข้อมูลที่ไม่ลบเลือน
• G2/S5 (ซอฟต์ออฟ):การปิดระบบแบบลอจิคัลด้วยพลังงานขั้นต่ำเพื่อให้สามารถปลุกได้จากเหตุการณ์ต่างๆ (คีย์บอร์ด เครือข่าย ฯลฯ)
• G3 (ปิดเครื่อง):การปิดระบบทางกายภาพ; มีเพียง RTC เท่านั้นที่อยู่รอดต่อแบตเตอรี่หนึ่งก้อน

โปรดจำไว้ว่า C-States ของโปรเซสเซอร์อยู่ภายใน G0/S0:เมื่อระบบเข้าสู่ G1 แพ็คเกจ CPU จะถูกปิดลงและ C‑States จะหยุดเล่น

สถานะอุปกรณ์ (D-States)

ACPI ยังกำหนดด้วยว่าอุปกรณ์ต่อพ่วงจะเข้าสู่โหมดสลีปหรือตื่นอย่างไร D0 เทียบเท่ากับ “การดำเนินการเต็มรูปแบบ” ส่วน D1/D2 เป็นตัวกลาง (ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์) และ D3 จะแยกออกเป็น Hot (มีแหล่งจ่ายไฟเสริม ตอบสนองต่อบัส) หรือ Cold (ปิดสนิท ไม่ตอบสนอง) วิธีนี้ช่วยให้การ์ดเครือข่ายสามารถปลุกคอมพิวเตอร์ได้ ขณะที่อุปกรณ์อื่นๆ ยังคงพักการทำงานอยู่

T-States: การมอดูเลตสัญญาณนาฬิกา ทางเลือกสุดท้าย

นอกจาก P และ C แล้วยังมี การมอดูเลตสัญญาณนาฬิกา (T-States): PWM ชนิดหนึ่งที่ยับยั้งพัลส์นาฬิกาภายในในรูปแบบหนึ่ง (เช่น 1 ใน 8) โดยลดกิจกรรมโดยไม่เปลี่ยนความถี่ฐานที่โฆษณาไว้ มีวัตถุประสงค์เพื่อใช้เป็นมาตรการรับมือความร้อนหรือฉุกเฉิน (PROCHOT) และควบคุมผ่าน IA32_CLOCK_MODULATION โดยมีสาเหตุ/บันทึกอยู่ใน MSR_*_PERF_LIMIT_REASONS

แม้ว่าเอกสารบางฉบับจะถือว่า "ไม่เกี่ยวข้อง" แต่ในทางปฏิบัติ มันยังคงปรากฏบนแล็ปท็อปที่มีการออกแบบการระบายความร้อนที่ดี และภายใต้โหลดที่ต่อเนื่อง หากคุณเห็น Windows รายงาน "ความเร็ว" ต่ำกว่า EIST ขั้นต่ำ แสดงว่า T-State กำลังใช้งานอยู่ (การจำกัดสัญญาณนาฬิกา)

M‑States: การประหยัดหน่วยความจำ

นอกจากนี้ ACPI ยังจัดเตรียมสถานะหน่วยความจำเพื่อลดการใช้พลังงานของระบบย่อย DRAM เมื่อระบบไม่ได้ใช้งาน M0 เป็นการทำงานปกติโหมด M1/M2 และโหมดอื่นๆ บังคับให้หน่วยความจำรีเฟรชตัวเองและชะลอการจับเวลา ทำให้ลดการใช้พลังงานลงด้วยค่าหน่วงเวลาปลุกที่ยาวนานขึ้น ค่าหน่วงเวลาเหล่านี้ผู้ใช้จะมองเห็นได้น้อยลง แต่มีส่วนช่วยในการประหยัดโดยรวม

สถานะ C ของโปรเซสเซอร์: นอนโดยให้ศีรษะ

ตอนนี้เรามาพูดถึงหัวข้อของบทความกัน: C-States และ P-States C-States คือสถานะว่างของเคอร์เนลหรือแพ็กเกจ ยิ่งตัวเลขสูงยิ่งหลับลึก และประหยัดค่าใช้จ่ายได้มากขึ้น แต่ยังมีเวลาในการปลุกระบบที่สูงขึ้นด้วย คำขอเหล่านี้ได้รับคำสั่งพิเศษ เช่น HLT หรือ MWAIT (ซึ่ง MWAIT สามารถร้องขอ Cx และสถานะย่อยได้อย่างชัดเจน) และการแมปความสามารถจะเข้าถึงระบบปฏิบัติการผ่าน ACPI (_CST)

• C0: การดำเนินการตามปกติ นี่คือจุดที่ P-States เข้ามามีบทบาท
• C1/C1E (หยุด):แกนหยุด กลับคืนมาเกือบจะทันที ถึง C0; C1E ลดการบริโภคลงอีก
• C2 (หยุดนาฬิกา): สัญญาณนาฬิกาหยุดแล้ว การกลับมาใช้เวลานานขึ้นเล็กน้อย
• C3 (การนอนหลับ/หลับลึก):L1/L2 จะถูกฟลัชไปที่แคชสุดท้าย (LLC) และปิดสัญญาณนาฬิกาหลัก มีเพียงสถานะสำคัญของนิวเคลียสเท่านั้นที่ถูกเก็บรักษาไว้.
• C6 ขึ้นไป:สามารถปิดแกนหลักและบันทึกบริบทไว้ใน SRAM เฉพาะ ทำให้แรงดันไฟฟ้าแกนหลักลดลงเหลือ ~0 V เมื่อออกจากระบบ สถานะแกนหลักจะกลับคืนมา บางรุ่นอาจได้รับความร้อนสูงถึง C10 บนแพลตฟอร์มรุ่นใหม่

นอกจากสถานะ C ต่อนิวเคลียส (สถานะ CC) แล้ว ยังมีระนาบของ แพ็คเกจ C-States (PC-states) ที่ปิดบล็อกที่ใช้ร่วมกัน (เช่น LLC) เมื่อทุกคอร์อนุญาต มีการรวมกลุ่มที่ไม่ถูกต้อง (หากคอร์อยู่ใน C0 แพ็กเก็ตนั้นจะไม่สามารถอยู่ใน PC6 ได้) และ CPU สามารถ "เลื่อนขั้น" หรือ "ลดระดับ" ของระดับโดยอัตโนมัติตามค่าความหน่วงและระยะเวลาการอยู่อาศัยของเป้าหมาย

ความล่าช้าเป็นเรื่องสำคัญ: C1 ถูกละทิ้งภายในเวลาเพียงไม่กี่สิบรอบในขณะที่ C6/C7 อาจใช้เวลาหลายร้อยไมโครวินาที ดังนั้น ภาระงานที่ไวต่อความล่าช้า (การเล่นเกม เสียงแบบเรียลไทม์ และเครือข่ายที่ต้องใช้ทรัพยากรมาก) จะได้รับผลกระทบหากโปรเซสเซอร์เข้าสู่โหมดพักเครื่องบ่อยครั้ง

สถานะ P ของประสิทธิภาพ: ความถี่และแรงดันไฟฟ้า

ในขณะที่รัฐ C-States เป็นแบบ “นอนเมื่อไม่มีงาน” รัฐ P-States เป็นแบบ “ปรับจังหวะเมื่อ ใช่มีงานอยู่แต่ก็ไม่ได้ใช้เต็มที่”. P0 เป็นสถานะประสิทธิภาพสูงสุด (ความถี่/แรงดันไฟฟ้าสูงสุด) ตามด้วย P1, P2… แต่ละสถานะจะมีคู่ความถี่-แรงดันไฟฟ้าที่ลดลง ตารางเหล่านี้ประกาศไปยังระบบปฏิบัติการผ่าน ACPI (_PSS) และควบคุมโดย MSR เช่น IA32_PERF_CTL/IA32_PERF_STATUS

ในอดีตระบบปฏิบัติการจะขอ P-States (EIST/SpeedStep บน Intel, PowerNow! บน AMD) แต่ปัจจุบันเป็นเรื่องปกติ สถานะประสิทธิภาพที่ควบคุมโดยฮาร์ดแวร์ (HWP/Speed ​​​​Shift):ระบบปฏิบัติการจะระบุการตั้งค่า (ประสิทธิภาพ/การประหยัด) และ CPU จะตัดสินใจจุดที่แน่นอนภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที โดยมีรายละเอียดต่อคอร์ที่ละเอียดมาก

รายละเอียดที่สำคัญ: P-States และ C-States เป็นแบบ “ตั้งฉาก”คุณสามารถอยู่ที่ P0 (ความถี่สูง) และเมื่อไม่ได้ใช้งาน ให้เข้าสู่ C6 ในทางกลับกัน ภายใต้โหลดคงที่ที่ P2 จะไม่มีสถานะ C เนื่องจากแกนกลางกำลังทำงาน (C0) ด้วยเหตุนี้จึงควรแยก "ความถี่/แรงดันไฟฟ้า" (P) ออกจาก "สถานะว่าง" (C) ในใจ

จาก APM สู่ ACPI: การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์

APM เป็น API ก่อนหน้านี้ที่จัดการโดย BIOS และไดรเวอร์เป็นหลัก ซึ่งอนุญาตให้ ปิดอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ไม่ได้ใช้งานและกำหนดสถานะทั่วโลกแบบง่ายแต่ CPU อยู่นอกเหนือการควบคุมโดยตรงของระบบปฏิบัติการด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย ACPI ได้พัฒนาไปสู่รูปแบบที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและเป็นมาตรฐานมากขึ้น โดยมีคำอธิบายตาราง การควบคุมแบบละเอียด และการทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดระหว่างเฟิร์มแวร์ ระบบปฏิบัติการ และฮาร์ดแวร์

วิธีการเข้าและออกจาก C-States

เมื่อตัวกำหนดเวลาไม่มีเธรดที่พร้อม มันจะดำเนินการ HLT หรือ MWAIT พร้อมคำแนะนำของ C‑State เป้าหมาย การขัดจังหวะ “ทำลาย” การนอนหลับ และส่งคืนแกนหลักไปที่ C0 แคชส่วนตัวจะถูกล้างที่ C3 บริบทจะถูกบันทึกลงใน SRAM ที่ C6 และแรงดันไฟฟ้าจะลดลงเป็นศูนย์ CPU บางตัวใช้ Power Aware Interrupt Routing (PAIR) เพื่อกำหนดเส้นทางการขัดจังหวะไปยัง คอร์ที่ใช้งานอยู่แล้ว (เพื่อบันทึก) หรือคอร์ที่ไม่ได้ใช้งาน (เพื่อการปฏิบัติงาน) ตามความเหมาะสม

ขีดจำกัดเทอร์โบ TDP และพลังงาน

โปรเซสเซอร์กำหนดค่า TDP ที่ระบบระบายความร้อนจะต้องสามารถระบายออกได้อย่างต่อเนื่อง (PL1: กำลังเฉลี่ยที่ปลอดภัย). ด้านบนกระจกไฟฟ้าสูงสามารถเข้าได้ (PL2และระดับเพิ่มเติม เช่น PL3/PL4 ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์ม) เป็นระยะเวลาจำกัด หากมีเฮดรูมความร้อนและไฟฟ้า แกนกลางอาจเกินความถี่ฐานผ่านเทอร์โบได้ แม้กระทั่ง รูปทรงไม่สมมาตร (มีเทอร์โบมากขึ้นและมีแกนทำงานน้อยลง).

เมื่ออุณหภูมิเกินเกณฑ์หรือ VRM/พลังงานต้องการ สามารถเปิดใช้งาน PROCHOT ได้ และเข้าสู่ T-State หรือการตัดความถี่เพื่อป้องกันชิป พฤติกรรมนี้พบได้บ่อยในแล็ปท็อปแบบบาง

Windows: แผนการใช้พลังงาน การอ่าน และการนับ

ข้อเสนอของ Windows แผนการต่างๆ เช่น “การประหยัดพลังงาน”“สมดุล” และ “ประสิทธิภาพสูง” ข้อแรกมีแนวโน้มที่จะ ลดระดับ P-States ลงอย่างรวดเร็วและนอนหลับสบายส่วนที่สามจะรักษาความถี่สูงและหลีกเลี่ยงความล่าช้าที่ลดลงซึ่งแลกมากับประสิทธิภาพ ส่วน "สมดุล" จะพยายามหาจุดกึ่งกลาง

ใน Task Manager คำว่า "ความเร็ว" เป็นหน่วยวัดสังเคราะห์ที่ ค่าเฉลี่ยต่อแกนและพิจารณาหน้าที่การมอดูเลต หากมี T-States ซึ่งอาจเกินค่าฐาน (Turbo) หรือต่ำกว่าค่า EIST ขั้นต่ำ (gating) สำหรับการวัดระยะไกลขั้นสูง ตัวนับ “\Processor Information(_Total)\% Processor Performance” จะแสดงเปอร์เซ็นต์ประสิทธิภาพการทำงานจริงตาม CPU

มียูทิลิตี้สำหรับการวินิจฉัยหรือปรับแต่ง: ซีพียู-ซี (ข้อมูลพื้นฐาน) HWiNFO (เซ็นเซอร์) คันเร่งหยุด (นาฬิกา, C-States ต่อคอร์ และการควบคุม PROCHOT/มอดูเลชั่น) หรือ พาร์คคอนโทรล (การปรับแต่งที่จอดรถหลัก/C‑States) ที่สัมผัสพารามิเตอร์แผนพลังงานที่ซ่อนอยู่ (powercfg อนุญาตให้แก้ไข “IDLE_PROMOTE/DEMOTE” เป็นต้น)

Linux: cpupower, turbostat และ CoreFreq

ใน Linux เครื่องมือเช่น ซีพียู แสดงผู้ว่าการ ช่วงความถี่ และเวลาแฝงในการเปลี่ยนผ่าน เทอร์โบสแตท แสดง MSR เหตุผลข้อจำกัดประสิทธิภาพหลัก (MSR_CORE_PERF_LIMIT_REASONS) และถิ่นที่อยู่ตาม C-State และ คอร์เฟรค ให้มุมมองโดยละเอียดของความถี่สัมบูรณ์ C-States และเทอร์โบต่อคอร์/แพ็คเกจ

ความแตกต่างในทางปฏิบัติ: ในคอมพิวเตอร์บางเครื่อง ไดรเวอร์ intel_idle สามารถละเว้นข้อจำกัดของ BIOS ได้ ผ่าน C-States และใช้ตารางของตนเอง ในกรณีอื่นๆ เฟิร์มแวร์จะ "ล็อก" C-State ที่ลึกที่สุดที่อนุญาตสำหรับระบบปฏิบัติการผ่าน MSR

BIOS/UEFI และโปรไฟล์: ใครเป็นผู้ควบคุมจริงๆ?

ในการตั้งค่า BIOS/UEFI มักจะปรากฏ สวิตช์หลัก: EIST/SpeedStep, TurboBoost และ CPU C-Statesนอกจากนี้ เซิร์ฟเวอร์หลายตัวยังให้คุณเลือกโปรไฟล์พลังงานได้ เช่น "ประสิทธิภาพสูงสุด" (ทุกอย่างอยู่ในระดับที่ดีที่สุด โดยมีความหน่วงน้อยที่สุด) หรือ "ควบคุมโดยระบบปฏิบัติการ/กำหนดเอง" ซึ่งไฮเปอร์ไวเซอร์หรือระบบปฏิบัติการจะควบคุมสถานะ P/C การเลือก "โหมดควบคุมระบบปฏิบัติการ" จะเป็นการมอบหมายข้อมูลอัจฉริยะให้กับระบบปฏิบัติการ

หากคุณใช้ไฮเปอร์ไวเซอร์เช่น ESXi การรวมเข้าด้วยกันถือเป็นความคิดที่ดี โหมดควบคุมระบบปฏิบัติการใน BIOS พร้อมแผน "ประสิทธิภาพสูง" ของไฮเปอร์ไวเซอร์เมื่อเป้าหมายคือการบีบประสิทธิภาพ (เช่น NSX-T, Edge Nodes หรือฟังก์ชันที่ไวต่อความหน่วง) ในสถานการณ์เช่นนี้ คุณจะเห็น P-State 0 บ่อยขึ้นและ C-State ถูกจำกัดไว้ที่ C0/C1; ด้วยแผนแบบ "สมดุล" โฮสต์จะพึ่งพา P-State ที่ต่ำกว่าและ C-State ที่ลึกกว่ามากขึ้น

หากจะสรุปเรื่องวุ่นวายทั้งหมดของ C-States และ P-States ก็คือ ACPI กำหนดเฟรม C-States ประหยัดพลังงานเมื่อไม่มีงาน P-States ปรับเกียร์สูง/ต่ำภายใต้โหลด T-States ช่วยชีวิตในสภาพอากาศร้อนจัด และ M-States ช่วยลดวัตต์ของหน่วยความจำ สิ่งสำคัญคือการเลือกโปรไฟล์ที่เหมาะสมกับการใช้งานของคุณวัดด้วยเครื่องมือที่ถูกต้อง และหากจำเป็น ให้กำหนดขอบเขตความลึกที่เหมาะสม

บทความที่เกี่ยวข้อง:

โหมดสแตนด์บายสมัยใหม่ทำให้แบตเตอรี่หมดระหว่างอยู่ในโหมดสลีป: วิธีปิดใช้งาน

แดเนียล เทอร์ราซา

บรรณาธิการเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีและอินเทอร์เน็ตด้วยประสบการณ์มากกว่าสิบปีในสื่อดิจิทัลต่างๆ ฉันทำงานเป็นบรรณาธิการและผู้สร้างเนื้อหาให้กับบริษัทอีคอมเมิร์ซ การสื่อสาร การตลาดออนไลน์ และการโฆษณา ฉันยังได้เขียนไว้ในเว็บไซต์เศรษฐศาสตร์ การเงิน และภาคส่วนอื่นๆ ด้วย งานของฉันก็คือความหลงใหลของฉันเช่นกัน ตอนนี้ผ่านบทความของฉันใน Tecnobitsฉันพยายามสำรวจข่าวสารและโอกาสใหม่ ๆ ที่โลกแห่งเทคโนโลยีมอบให้เราทุกวันเพื่อปรับปรุงชีวิตของเรา