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JP4903272B2 - コンピュータシステム用の高効率電力管理技術 - Google Patents

コンピュータシステム用の高効率電力管理技術 Download PDF

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Description

トランジスタの数を多くすると共に周波数を高くして高機能化された中央演算処理装置(CPU)がますます一般的になるにつれて、コンピュータ設計者および製造者は、電力およびエネルギーの消費がそれに応じて増加してしまうという問題に直面することが多くなっている。また、高速化および小型化された構成要素を実現する製造技術は、電力漏洩の増加という問題を生じさせ得る。特に携帯可能コンピュータ環境では、電力消費が大きくなると、性能に悪影響を及ぼしかねないオーバーヒートの問題が生じてしまい、電池の寿命を大幅に縮めてしまい得る。電池は通常容量が限られているので、必要以上に携帯可能コンピューティングシステムのプロセッサを実行することによって、望ましくないほど短期間で容量を消費してしまう可能性がある。
このためシステムでは、さまざまな動作特性に応じてプロセッサの状態をさまざまな電力状態に設定することによって、電力の節約を試みている。電力状態には、アクティブ状態(または全電力状態)およびさまざまな低電力状態を含まれ得る。それぞれの低電力状態では、対応する一部の所定のプロセッサ機能を実現するとしてよい。プロセッサは通常、特定の電力状態から1以上の低電力状態へと遷移してよい。遷移のレイテンシを小さくすることによって、プロセッサの電力効率が改善され得る。
実施形態例を示す図である。
さまざまな状態を示す図である。
ロジックフローの実施形態を示す図である。
信号の実施形態を示す図である。
処理シーケンスの例を示す図である。 処理シーケンスの例を示す図である。
さまざまな実施形態は概して、例えばコンピュータシステムの電力管理技術に関連し得る。実施形態の一例を挙げると、装置は、入出力待ち行列(IOQ)と、プロセッサに結合されたインターフェースと、制御モジュールとを備えるとしてよい。インターフェースによって、プロセッサの電力状態に関して、プロセッサと通信することができる。制御モジュールは、プロセッサの電力状態が遷移し始めると、IOQの排出(またはフラッシュ)を開始するとしてよい。この場合の遷移は、第1の電力状態から第2の低電力状態への遷移であってよい。
制御モジュールは、IOQの排出の間、プロセッサの遷移を継続させる。しかし、制御モジュールは、遷移中の特定の時点において(例えば、C3状態に入る前に)、IOQが空か否か判断するとしてよい。制御モジュールは、空の場合、プロセッサの遷移を継続させる。制御モジュールは、空でない場合、IOQが空になるまでプロセッサの遷移を一時停止させる。
本明細書で説明するように、実施形態は電力状態の遷移を高速化するとしてよい。この結果、電力消費および熱放散が抑えられるという効果が奏され得る。
実施形態は、1以上の構成要素を備えるとしてよい。構成要素は、特定の動作を実行するように構成されている任意の構造を有するとしてよい。各構成要素は、任意の一連の設計パラメータまたは性能上の制約に応じて、ハードウェア、ソフトウェア、またはこれらの任意の組み合わせとして実装されるとしてよい。実施形態は、一例として特定のトポロジーの限られた数の構成要素を備えるものとして説明されるが、任意の実装について望ましい別の構成で異なる一連の構成要素を組み合わせるとしてもよい。「一実施形態」または「実施形態」という場合、当該実施形態に関連付けて説明される特定の特徴、構造または特性は少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味するものである。本明細書では、さまざまな箇所で「一実施形態において」という表現を用いているが、これは必ずしも同一の実施形態をさすものではない。
図1は、さまざまな動作状態を含む電力管理ポリシーに従って動作する実施形態を示す図である。特に、図1では、さまざまな構成要素を備えるシステム100を示す。しかし、実施形態は、このように図示された構成要素に限定されるものではない。図1に示すように、システム100は、プロセッサ102と、チップセット104と、1以上のメモリデバイス106と、ディスプレイ108と、1以上のインターフェース110とを備えるとしてよい。これらの構成要素は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの任意の組み合わせによって実装されるとしてよい。
プロセッサ102は、マイクロプロセッサであってよい。プロセッサは、例えば、命令を処理するべく、1以上のプロセッシングコア103と、実行部105とを有してよい。図1に示すように、プロセッサ102はさらに、コア103の電力状態を管理する電力管理モジュール107を有するとしてよい。また、プロセッサ102は、1以上のキャッシュ(不図示)を有するとしてよい。キャッシュは、レベル1および/またはレベル2のキャッシュを含むとしてよい。
図1によると、プロセッサ102はインターフェース116によってチップセット104に結合されている。このインターフェースは、例えば、フロントサイドバスであってよい。チップセット104は、さまざまな構成要素を有するとしてよい。例えば、チップセット104は、メモリコントローラハブ112および入出力(I/O)コントローラハブ114を有するとしてよい。
メモリコントローラハブ112(ノースブリッジとも呼ばれる)は、プロセッサ102とメモリデバイス(例えば、ランダムアクセスメモリ(RAM))106との間の通信を処理する。メモリコントローラハブ112はさらに、ディスプレイ108との通信も処理するとしてよい。この通信は、グラフィクスプロセッサ(不図示)を介して行われるとしてもよい。
図1に示すように、メモリコントローラハブ112は制御モジュール113を含むとしてよい。制御モジュール113は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの任意の組み合わせによって実装されるとしてよい。さらに、メモリコントローラハブ112は、バッファまたはキャッシュ115(例えば、入出力待ち行列(IOQ))を含むとしてよい。この構成要素は、プリフェッチバッファと同様に、未処理のトランザクションをバッファするためのパイプラインとして動作してよい。
さらに、メモリコントローラハブ112はさらに、I/Oコントローラハブ114(サウスブリッジとも呼ばれる)との通信を処理するとしてもよい。I/Oコントローラハブ114は、例えば、ユニバーサルシリアルバス(USB)ポート、周辺機器インターコネクト(PCI)バス等の、さまざまなシステムインターフェースについて接続を提供するとしてよい。
図1に示すように、プロセッサ102は、「サイドバンド」118を介してチップセット104(例えば、ハブ112)との間で情報を送受信するとしてよい。サイドバンド118は、1以上の信号ラインとして提供され得る。しかし、実施形態はこれに限定されない。電力管理情報を、サイドバンド118を介して送るとしてよい。このような電力情報は、プロセッサ102の電力状態の遷移に関する情報であってよい。
このように、チップセット104は、プロセッサ102の電力状態の遷移に関わっているとしてよい。関わり方は、制御モジュール113によって処理されるとしてよい。例えば、ハブ112は、制御モジュール113の処理に基づいて、IOQ115の中身を空にする(フラッシュするまたは排出する)としてよい。このことは、メモリデバイス106等のシステムメモリにIOQ115の中身を格納することを含むとしてよい。IOQ115の排出またはフラッシュの前に、関連するスヌープをディセーブルするとしてよい。実施形態によると、電力状態の遷移に関連して発生する遅延を短縮するべく、このような動作を効率よく処理する。
図2は、プロセッサ用の電力管理ポリシーで採用される動作状態を示す図である。また、図示されている状態間での遷移の例も示している。図2に示すように、C0状態202では、通常動作が実行される(アクティブモードとも呼ぶ)。プロセッサ(例えば、プロセッサ102)は、この状態では、アクティブに命令を処理するとしてよい。また、プロセッサは、動作電圧および周波数の組み合わせが最大になるような、高周波モード(HFM)にあってもよい。このため、C0状態202を全電力状態と呼ぶ。
電力の節約および/または熱負荷の低減を目的として、プロセッサは1または複数の低電力状態に遷移するとしてよい。例えば、プロセッサはC0状態202からC1状態204に遷移するとしてよい。この状態では、プロセッサの一部分および/または回路の電源を落とすとしてよい。また、ローカルクロックをゲーティングするとしてよい。
図2は、停止認可状態またはスリープ状態とも呼ばれる、C2状態206を示している。C2状態206では、プロセッサ205の回路の一部は電源を落として、内部および外部のコアクロックをゲーティングするとしてよい。
C3状態208は、ディープスリープ状態と呼ばれる。ディープスリープ状態では、内部プロセッサ回路の電源を落とすとしてよい。また、プロセッサの位相ロックループ(PLL)をディセーブルするとしてよい。
さらにC5状態210を図2に示す。この状態では、プロセッサの中身はすべてフラッシュされてキャッシュが空になっている。
図2によると、プロセッサはC0状態202からC5状態212へと遷移し得る。特に図2には、C1状態、C2状態およびC3状態の間における中間の遷移に関連して順次遷移していく様子を示している。しかし、これは例示を目的として図示しているのであって、これに限定されるものではない。このため、別の順序で遷移が生じるとしてもよい。さらに、低電力状態から高電力状態の間ではさまざまな遷移が生じるとしてよい。また、実施形態は図2に示した一連の状態に限定されるものではない。このため、実施形態には、上記以外の状態(例えば、C6状態)が追加されるとしてもよいし、図示した状態のうちいずれかを省略するとしてもよい。
上述した実施形態の動作について、以下の図面および添付例を参照しつつ、さらに説明する。図面の中にはロジックフローを含むものもある。本明細書で提示する図面は特定のロジックフローを含むが、そのようなロジックフローは、本明細書に記載されている一般的な機能がどのように実装され得るかの例を示すに過ぎないと思われたい。また、明示されていない限り、ロジックフローは提示している順序で実行される必要は必ずしもない。また、ロジックフローは、ハードウェア素子、プロセッサによって実行されるソフトウェア素子、またはこれらの任意の組み合わせによって実装され得る。実施形態はこれに限定されない。例えば、遷移はC0状態からC6状態の間で生じるとしてもよい。
図3は、ロジックフローの一実施形態を示す図である。特に図3では、本明細書に記載する1以上の実施形態によって実行される動作を表すロジックフロー300を図示する。ロジックフロー300に示すように、ブロック302では、プロセッサの電力状態の遷移の開始を意味する指示を受け取る。この指示は、プロセッサからの入出力(I/O)読み出しとして発行されるとしてもよい。このようなI/O読み出しは、遷移の特性を特定するとしてよい。
電力状態は、第1の電力状態から第2の低電力状態へ遷移してよい。例えば、C0状態からC5状態へと遷移してよい。しかし、実施形態はこのような遷移に限定されない。
上記の指示を受信すると、または、上記の指示を受信した後、ブロック304において、IOQに対応付けられているスヌープをディセーブルする。また、ブロック306において、IOQ排出処理を開始する。ブロック308では、プロセッサの第1の電力状態から第2の低電力状態への遷移を、IOQの排出が実行されている間にわたって継続させる。
しかし、特定の時点(例えば、C3状態に入る前の時点)において、ブロック310ではIOQが空か否かを判断する。ブロック312に示すように、IOQが空の場合、ブロック314ではプロセッサの電力状態を継続して遷移させる。IOQが空でない場合、ブロック316では遷移を一時停止させてIOQが空になるまで待機する。
図1を参照して説明すると、ロジックフロー300はチップセット104によって実装され得る。より具体的には、ロジックフロー300は、ハブ112内の制御モジュール113によって実装され得る。しかし、実施形態はこれに限定されない。
図4は、C0状態とC5状態の間での遷移の順序の一例を示す図である。順序は、さまざまな信号を用いて図示している。図1を参照して説明すると、図示されている信号はサイドバンド118を介して転送されるとしてよい。図4はさらに、複数の期間を示している。時系列順に列挙すると、期間t20、t21、t23、t24、t25およびt26である。
実施形態によると、C0状態とC5状態との間での遷移は、プロセッサからのI/O読み出し処理によって開始される。図1を参照して説明すると、このI/O読み出しは、プロセッサ102からハブ112への読み出しであってよい。このI/O読み出し処理は通常、プロセッサのキャッシュが空になった後でのみ実行される。このI/O読み出しの例は、図4において、期間t20中または期間t20前に発生するものとして示されている。
ここで、IOQはさまざまな方法で処理され得る。例えば、遷移が開始される(例えば、t20の)期間において、所定の技術を用いてスヌープをディセーブルしてIOQのフラッシュを実行する。つまり、C5遷移(例えば、C0状態からC5状態への遷移)が要求されるとすぐに、所定の技術は複数の段階を経てIOQを即座にフラッシュして全てのスヌープをディセーブルするとしてよい。
しかし、実施形態によっては、このフラッシュはこの時点では実行されない。これに代えて、IOQは後続の期間で(例えば、期間t22、t23およびt24)自然に排出させる。
この方法では、IOQが空であることにプロセッサおよび/またはシステムの動作が左右される時点が大幅に遅延される。また、この方法では、プロセッサまたはシステムがIOQの排出が完了するまで待機するべく電力遷移を遅延させなければならない確率が大幅に低くなり得る。
図5Aおよび図5Bは、上述した技術の例を示す図である。特に同図は、図3に示したブロックのいくつかを図4の時間列に組み込んでいる。
例えば、図5Aは、ブロック304、312、および316が期間t20の前に実装されていることを示している。図5Bは、ブロック304が期間t20に先立って実装されていることを示している。しかし、図5Aとは対照的に、図5Bではブロック312および316はt23とt24との間に実装されている。
このように、図5Bの例では、IOQの排出またはフラッシュがプロセッサの電力状態の遷移の一部と「並行して」実行され得る。このような構成とすることによって、遷移にかかる時間を短縮する効果と共に電力消費を低減する効果が得られる。
実施形態について完全に理解していただくべく、本明細書には具体的且つ詳細な内容を数多く記載した。しかし、実施形態は上述したような具体的且つ詳細な内容を含まずとも実施できることは、当業者には明らかである。また、公知の処理、構成要素、および回路については、実施形態をあいまいにすることを避けるべく、詳細な説明を省略している。本明細書に記載した具体的な構造および機能の詳細については、実施形態の代表的な例を示すものであって実施形態の範囲を限定するものでは必ずしもないと理解されたい。
さまざまな実施形態は、ハードウェア素子、ソフトウェア素子、またはこれらの組み合わせを用いて実装され得る。ハードウェア素子の例を挙げると、プロセッサ、マイクロプロセッサ、回路、回路素子(例えば、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、インダクタ等)、集積回路、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブルロジックデバイス(PLD)、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、ロジックゲート、レジスタ、半導体デバイス、チップ、マイクロチップ、チップセット等を含むとしてよい。ソフトウェアの例を挙げると、ソフトウェア素子、プログラム、アプリケーション、コンピュータプログラム、アプリケーションプログラム、システムプログラム、機械プログラム、オペレーティングシステムソフトウェア、ミドルウェア、ファームウェア、ソフトウェアモジュール、ルーチン、サブルーチン、機能、方法、手順、ソフトウェアインターフェース、アプリケーションプログラムインターフェース(API)、命令セット、演算コード、コンピュータコード、コードセグメント、コンピュータコードセグメント、単語、値、シンボル、またはこれらの任意の組み合わせ等を含むとしてよい。実施形態をハードウェア素子および/またはソフトウェア素子を用いて実装するか否かは、所望の演算レート、電力レベル、耐熱性、処理サイクル制限、入力データレート、出力データレート、メモリリソース、データバス速度等の設計または性能上の制約等、さまざまな要因によって左右されるとしてよい。
一部の実施形態は、「結合」および「接続」という用語を用いて説明している。このような用語は、互いに対する同義語として意図されているわけではない。例えば、一部の実施形態の説明では、「接続」および/または「結合」という用語を用いて、2つ以上の素子が互いに直接、物理的または電気的に、接触していることを指しているとしてもよい。しかし、「結合」という用語は同時に、2つ以上の素子が互いに直接は接触していないが、互いに協働または相互作用することを意味するとしてもよい。
一部の実施形態は、例えば、機械によって実行されると実施形態に係る方法および/または処理を機械に実行させる、命令または命令セットを格納する機械可読媒体または物品を用いて実装され得る。このような機械は、例えば、任意の適切なプロセッシングプラットフォーム、コンピューティングプラットフォーム、コンピューティングデバイス、プロセッシングデバイス、コンピューティングシステム、プロセッシングシステム、コンピュータ、プロセッサ等を含むとしてよく、ハードウェアおよび/またはソフトウェアの任意の適切な組み合わせを用いて実装されるとしてよい。機械可読媒体または物品は、例えば、任意の適切な種類のメモリユニット、メモリデバイス、メモリ製品、メモリ媒体、ストレージデバイス、ストレージ製品、ストレージ媒体および/またはストレージユニット、例えば、メモリ、取り外し可能または取り外し不可能な媒体、消去可能または消去不可能な媒体、書き込み可能または書き換え可能な媒体、デジタルまたはアナログの媒体、ハードディスク、フロッピーディスク(登録商標)、コンパクトディスクリードオンリーメモリ(CD−ROM)、コンパクトディスクリコーダブル(CD−R)、コンパクトディスクリライタブル(CD−RW)、光ディスク、磁気媒体、光磁気媒体、取り外し可能なメモリカードまたはディスク、さまざまな種類のDVD、テープ、カセット等を含むとしてよい。命令には、任意の適切な高級プログラミング言語、低級プログラミング言語、オブジェクト指向プログラミング言語、ビジュアルプログラミング言語、コンパイラおよび/またはインタプリタ処理されたプログラミング言語を用いて実装される、ソースコード、コンパイラ処理されたコード、インタプリタ処理されたコード、実行可能コード、静的コード、動的コード、暗号化コード等の任意の適切な種類のコードが含まれるとしてよい。
特に明確に示していない限り、「処理」「算出」「計算」「決定」等の用語は、コンピュータまたはコンピューティングシステム、または同様の電子コンピューティングデバイスの動作および/または処理を意味するものと考えられたい。コンピューティングシステム等は、レジスタおよび/またはメモリにおいて物理量(例えば、電子的な量)として表されるデータを操作および/または変換して、コンピューティングシステムのメモリ、レジスタ、またはほかの情報を格納、送信、または表示するデバイスにおいて物理量として同様に表現されるほかのデータを生成するとしてよい。実施形態はこれに限定されない。
構造的特徴および/または方法論的動作に特有の用語を用いて主題を説明したが、特許請求の範囲で定義される主題は上述した具体的な特徴または動作に必ずしも限定されるわけではないと理解されたい。上述の具体的な特徴および動作は特許請求の範囲を実装する形態の例として記載されている。

Claims (20)

  1. 入出力待ち行列(IOQ)を有し、プロセッサとメモリデバイスとの間の通信を処理するチップセットと、
    前記チップセットとプロセッサとを結合、前記プロセッサの電力管理動作に関して、前記チップセットと前記プロセッサとの間での通信を実現するインターフェースと、
    第1の電力状態から第2の低電力状態への、前記プロセッサの電力状態の遷移が開始されると、IOQの中身を空にする処理を開始する制御モジュールと、
    を備え、
    前記制御モジュールは、
    前記IOQの中身を空にする処理の間、前記第1の電力状態から前記第2の低電力状態への前記プロセッサの前記遷移を継続させ、
    前記IOQが空でないと判断すると、前記第2の低電力状態に遷移する前に、前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる、
    電力管理装置。
  2. 前記第2の低電力状態は、C5状態である、
    請求項1に記載の電力管理装置。
  3. 前記制御モジュールは、
    C3状態に入る前の時点において、前記IOQが空であるか否か判断し、
    前記IOQが空であると判断すると、前記プロセッサの前記遷移を継続させて、
    前記IOQが空でないと判断すると、前記IOQが空になるまで前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる、
    請求項2に記載の電力管理装置。
  4. 前記第1の電力状態は、C0状態である、
    請求項3に記載の電力管理装置。
  5. 前記制御モジュールは、前記プロセッサの電力状態の前記遷移が開始されると、前記IOQに対応付けられているスヌープをディセーブルまたは禁止する、
    請求項1から請求項4までの何れか一項に記載の電力管理装置。
  6. 前記制御モジュールは、前記プロセッサの電力状態の前記遷移の開始を指し示す入出力(I/O)読み出しを前記プロセッサから受け取る、
    請求項1から請求項5までの何れか一項に記載の電力管理装置。
  7. 前記インターフェースは、1以上のサイドバンド信号ラインを有する、
    請求項1から請求項6までの何れか一項に記載の電力管理装置。
  8. 第1の電力状態から第2の低電力状態への、プロセッサの電力状態の遷移が始まるとIOQの中身を空にする処理を開始する段階と、
    前記IOQの中身を空にする処理の間、前記第1の電力状態から前記第2の低電力状態への前記プロセッサの前記遷移を継続させる段階と、
    前記IOQが空でない場合には、前記第2の低電力状態に遷移する前に、前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる段階と、
    を備える電力管理方法。
  9. 前記第2の低電力状態は、C5状態である、
    請求項8に記載の電力管理方法。
  10. C3状態に入る前の時点において、前記IOQが空であると判断されると、前記プロセッサの前記遷移を継続させる段階と、
    前記IOQが空でないと判断されると、前記IOQが空になるまで前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる段階と、
    をさらに備える、
    請求項9に記載の電力管理方法。
  11. 前記第1の電力状態は、C0状態である、
    請求項10に記載の電力管理方法。
  12. 前記プロセッサの電力状態の前記遷移が開始されると、前記IOQに対応付けられているスヌープをディセーブルまたは禁止する段階をさらに備える、
    請求項8から請求項11までの何れか一項に記載の電力管理方法。
  13. 前記プロセッサの電力状態の前記遷移の開始を指し示す入出力(I/O)読み出しを前記プロセッサから受け取る段階をさらに備える、
    請求項8から請求項12までの何れか一項に記載の電力管理方法。
  14. プロセッサと、
    チップセットと
    を備え、
    前記チップセットは、
    入出力待ち行列(IOQ)と、
    第1の電力状態から第2の低電力状態への、前記プロセッサの電力状態の遷移が開始されると、IOQの中身を空にする処理を開始する制御モジュールと
    を有し、
    前記制御モジュールは、前記IOQの中身を空にする処理の間、前記第1の電力状態から前記第2の低電力状態への前記プロセッサの前記遷移を継続させ、
    前記IOQが空でないと判断すると、前記第2の低電力状態に遷移する前に、前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる、
    電力管理システム。
  15. 前記プロセッサに結合され、前記プロセッサの電力管理状態に関して前記プロセッサとの間での通信を実現するインターフェースをさらに備える、
    請求項14に記載の電力管理システム。
  16. 前記インターフェースは、1以上のサイドバンド信号ラインを有する
    請求項15に記載の電力管理システム。
  17. 前記制御モジュールは、
    C3状態に入る前の時点において、前記IOQが空であるか否か判断し、
    前記IOQが空であると判断すると、前記プロセッサの前記遷移を継続させて、
    前記IOQが空でないと判断すると、前記IOQが空になるまで前記プロセッサの前記遷移を一時停止させる
    請求項14から請求項16までの何れか一項に記載の電力管理システム。
  18. 前記第1の電力状態は、C0状態であり、
    前記第2の低電力状態は、C5状態である、
    請求項14から請求項17までの何れか一項に記載の電力管理システム。
  19. 前記チップセットに結合されている1以上のメモリデバイスをさらに備える、
    請求項14から請求項18までの何れか一項に記載の電力管理システム。
  20. 前記1以上のメモリデバイスは、ランダムアクセスメモリ(RAM)を含む
    請求項19に記載の電力管理システム。
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