PowerTune: Muutoksia ylikellotukseen

Ennen

Aikojen saatossa AMD ja Nvidia ovat integroineet näytönohjaimiin erityisiä ominaisuuksia, joiden avulla laitteistot kykenevät selviämään kuormittavien ohjelmien ajamisesta ja sen jälkeen voivat vaipua lepotilaan kun tarvetta teholle ei ole.

Äärimmäisten kuormitusten aikana, kuten erityisesti kuormittamiseen suunnattujen sovellusten (FurMark) aikana valmistajat ovat oppineet kuristamaan korttien jännitteitä ja kellotaajuuksia, jotta vältyttäisiin liian suurilta lämpötiloilta. Tämän lisäksi jännitteensäätimiin on lisätty piirejä, jotka myös tiputtavat grafiikkaytimen kellotaajuutta jo ennen kuin grafiikkaprosessori lämpenee liian korkean jännitteen seurauksena.



Asteikon toisessa päässä Radeon- ja GeForce-ohjaimet laskevat tehoja kun kuormitus on pientä. Tällä saavutetaan huomattavan suuria tehosäästöjä (ja lisäksi paljon paremmat lämpötilat sekä äänentaso). Tämän kaltainen joustavuus mahdollistaa työpöytäkäyttöön tarkoitettujen näytönohjainten asentamisen kannettavaan säilyttäen silti kohtuullinen käytettävyys.

AMD:n virranhallintatyökaluja on monen sukupolven ajan kutsuttu nimellä PowerPlay (eli ylivoima, ATI on lähtöisin jääkiekkokaupunki Torontosta). Se on parhaiten tunnettu mobiilipuolella, sillä mobiililaitteiden tapauksessa virranhallinnalla ja lämpötiloilla on suurin merkitys. PowerPlay on kuitenkin kohtuullisen alkeellinen ohjelma suuremman kokonaiskuvan kannalta. Se tukee lepotilaa, täyttä tehoa ja muutamia välitiloja esimerkiksi videon pyöritystä varten. Kaikki jännitteen ja kellotaajuuden yhdistelmät ovat kuitenkin staattisia kuin tikkaiden puolat.

Ongelma on se, että kaikki ohjelmat eivät käyttäydy samalla tapaa. Ohjelmat kuten FurMark saattavat nostaa täysillä tehoilla pyörivän näytönohjaimen tehonkulutuksen 260 W saakka, kun taas esimerkiksi Crysis nostaa kulutuksen 220 W tasolle. Jos olet suunnittelemassa näytönohjainta, kelloja ja jännitteitä ei voi asettaa sopivalle tasolle vain Crysista varten, sen on pystyttävä myös ajamaan FurMarkia vakaasti. Tällainen pahin mahdollinen ominaisuuksien yhdistelmä on thermal design power –lukema, josta artikkeleissa niin usein puhutaan.

AMD ja Nvidia määrittelevät thermal design power –arvon koko näytönohjainta varten ja se pitää sisällään enimmäistehonkulutuksen, jolla GPU pysyy vakaana, jännitteensäädöt, muistit jne. Kun valmistajat asettavat kellotaajuuksia ja jännitteitä suurimmalle mahdolliselle teholle, ne ottavat huomioon kolme asiaa: TDP, korkein vakaa kellotaajuus tietyllä jännitteellä ja eri ohjelmien ominaisuudet, jotka määrittävät tehonkulutuksen kuormituksen alla, sillä osa sovelluksista kuormittaa laitteistoa huomattavasti toisia enemmän.



Joissain tapauksissa on pakko keinotekoisesti rajoittaa GPU:n suorituskykyä, jotta se mahtuisi tiettyihin tehonkulutuksen rajoihin. Tämä on yleistä erityisesti kannettavien tietokoneiden tapauksessa. Voi myös olla tarpeellista rajoittaa kellotaajuutta, jotta saavutetaan esimerkiksi PCI Express –standardin mukaiset kulutuslukemat. Ikävä kyllä lopputuloksena saattaa olla suorituskyvyn rajoitus World of Warcrafitssa, koska kellotaajuuksia on pakko rajoittaa 3D Mark Vantagen Perlin Noise –testin toiminnan varmistamiseksi. Tämän tiedon jälkeen on helpompi ymmärtää miksi näytönohjainvalmistajat vihaavat niin paljon FurMarkin tyyppisiä ohjelmia, jotka keinotekoisesti horjuttavat heidän korttiensa rajoituksia.

Loppupeleissä päädytään tilanteeseen, jossa näytönohjaimet ovat suojattu vahingoittumiselta. Suojausmekanismit silti ohittavat suorituskyvyn turvallisuuden nimissä. Jos käyttämäsi sovellus ei tavoita näytönohjaimen tehorajoituksia, osa suorituskyvystä jää täysin käyttämättä.

Nyt

AMD:n mukaan sen PowerTune-tekniikka käyttää dynaamista TDP:n hallintaa hoitaakseen molemmat ”teho-ongelmat” joiden kanssa näytönohjainvalmistajat joutuvat taistelemaan.

Staattisten tehonkulutustilojen vaihtelun sijaan PowerTune laskee GPU:lle sopivan kellotaajuuden kulloisenkin tehonkulutuksen mukaan, aina korkeimpaan mahdolliseen tilaan saakka. Jos korttia ylikellotetaan ja ajettu sovellus saa sen ylittämään TDP-arvonsa, PowerTunen on tarkoitus pitää GPU korkeimmassa mahdollisessa tehotilassa, mutta vähentää tehonkulutusta laskemalla kellotaajuutta dynaamisesti.



Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että PowerTune estäisi koneesi kaatumisen, jos ylikellotat liian aggressiivisesti. Me testasimme nostaa Radeon HD 6970 –mallien kellotaajuuksia AMD:n Catalyst Control Center –sovelluksen avulla PowerTune tehdasasetuksilla ja saimme silti Metro 2033:n ja Just Cause 2:n kaatumaan. Kannattaa myös huomata, että PowerTunen todellinen käyttö muistuttaa enemmänkin ylikellotusta. Jos uusi 6000-sarjan korttisi kuolee ja syyksi paljastuu PowerTune-ominaisuus, se ei kuulu takuun piiriin. Kuulostaa hieman siltä, kuin että Nissan varustaa GT-R-mallin Launch Control –järjestelmällä eikä ota vaihdelaatikkovahinkoja takuun piiriin. Joka tapauksessa tämä kannattaa muistaa, jos aikoo kellottaa.

Miten PowerTune sitten parantaa suorituskykyä? Sen sijaan, että AMD suunnittelisi 6000-sarjan toimimaan pahimpien mahdollisten tilanteiden mukaan, AMD pystyy asettamaan piireihin jo tehtaalla korkeammat kellotaajuudet (880 MHz 6970-mallin tapauksessa) ja luottamaan PowerTuneen, joka säätää tehoja alemmas tilanteissa, jotka olisivat aiemmin pakottaneet laskemaan korttien tehdaskelloja esimerkiksi 750 MHz:n.

Miten se toimii?

Oletetaan siis, että olet ylikellottamassa korttiasi ja jätät PowerTunen perusasentoon AMD:n ajureissa. Jos sen jälkeen ajat sovellusta, jota TDP-rajat eivät rajoittaneet ennen ylikellotusta eivätkä ne tule vastaan kellotetullakaan kortilla, lopputuloksena on odotetunkaltainen skaalaus suorituskyvyssä. Jos TDP-arvo ei ollut sovellukselle ongelma ennen kellotusta, mutta kellotetulla kortilla rajat tulevat vastaan, suorituskyvyn lisäys on pienempi. Jos taas sovellus sai kortin jo valmiiksi TDP-arvon tietämille, edes ylikellotus ei auta tilanteeseen, sillä PowerTune rajoitti jo valmiiksi suorituskykyä.



AMD on kuitenkin mahdollistanut rajoituksen osittaisen kiertämisen. Catalyst Control Centerin valikoissa AMD Overdrive –välilehdellä on PowerTune-liukusäädin, joka liikkuu -20% tasolta aina +20% asti. Siirtämällä säädintä alaspäin on mahdollista säästää energiaa ja laskea TDP-arvoa suorituskyvyn kustannuksella. Toiseen suuntaan säätäminen kasvattaa enimmäislämpötilaa ja mahdollistaa suuremman suorituskyvyn ohjelmissa, jotka aiemmin osuivat TDP:n ylärajaan.

Tämän asetuksen testaamiseksi ajoimme muutamia pelejä ja päädyimme lopuksi Metro 2033 –peliin, jota käytettään myöhemmässä vaiheessa myös tehonkulutuksen mittaamiseen. Käyttöön otettiin myös pieni ylikellotus (915/1400MHz). Kun liukusäädin oli -20% asennossa, pelin FPS oli 48,54 tasolla yksityiskohtien määrän ollessa High-asetuksella. Säätimen ollessa 0% perusasetuksella suorituskyky nousi 56,43 FPS:n. +20 tasolla suorituskyky nousi vielä hieman 57,33 ruutuun sekunissa.



Testin aikana tallennettu tehonkulutuksen kuvaaja kertoo kaiken. PowerTunen säädintä laskemalla huippukulutus laskee (erotus on keskimäärin noin 27 W). Mutta koska Metro kuluttaa jo valmiiksi paljon tehoa, liukusäätimen avulla ei saada enää lisää pelivaraa suorituskyvyn kasvattamiseksi.

Eräässä mielessä AMD on siis jo ottanut käyttöön suurimman osan ylikellotusvarasta, jolla 6900-sarjan kortteihin olisi muuten saatu enemmän tehoa. PowerTune-säätimen avulla saadaan käyttöön lisää liikkumavaraa, mutta loppupeleissä sen tarjoamat hyödyt riippuvat täysin käytetystä sovelluksesta.

AMD:n mukaan PowerTune on pii-sirun tasolle rakennettu ominaisuus, joka toimii GPU:hun asennettujen laskinten perusteella. Se toimii tosiaikaisesti eikä tarvitse avukseen ajureiden tai sovellusten tukea. Se on myös ohjelmoitavissa, joten se tullaan näkemään kannettavissa tietokoneissa kun Cayman-piiri muutetaan mobiilikäyttöön sopivaksi Blackcomb-versioksi.