Intel c state что это в биосе

Intel CPUs: P-state, C-state, Turbo Boost, CPU frequency, etc.

Ten years ago, most computers were desktop computers designed for best performances and their CPU frequency was fixed. Nowadays, most devices are embedded and use low power consumption processors like ARM CPUs. The power consumption now matters more than performance peaks.

Intel CPUs evolved from a single core to multiple physical cores in the same package and got new features: Hyper-threading to run two threads on the same physical core and Turbo Boost to maximum performances. CPU cores can be completely turned off (CPU HALT, frequency of 0) temporarily to reduce the power consumption, and the frequency of cores changes regulary depending on many factors like the workload and temperature. The power consumption is now an important part in the design of modern CPUs.

Warning! This article is a summary of what I learnt last weeks from random articles. It may be full of mistakes, don’t hesitate to report them, so I can enhance the article! It’s hard to find simple articles explaining performances of modern Intel CPUs, so I tried to write mine.

Tools used in this article

This article mentions various tools. Commands to install them on Fedora 24:

dnf install -y util-linux :

• lscpu

dnf install -y kernel-tools :

sudo dnf install -y msr-tools :

• rdmsr
• wrmsr

Other interesting tools, not used in this article: i7z (sadly no more maintained), lshw, dmidecode, sensors.

The sensors tool is supposed to report the current CPU voltage, but it doesn’t provide this information on my computers. At least, it gives the temperature of different components, but also the speed of fans.

Example of Intel CPUs

My laptop CPU: /proc/cpuinfo

On Linux, the most common way to retrieve information on the CPU is to read /proc/cpuinfo. Example on my laptop:

"i7-3520M" CPU is a model designed for Mobile Platforms (see the "M" suffix). It was built in 2012 and is the third generation of the Intel i7 microarchitecture: Ivy Bridge.

The CPU has two physical cores, I disabled HyperThreading in the BIOS.

The first strange thing is that the CPU announces "2.90 GHz" but Linux reports 1.2 GHz on the first core, and 3.3 GHz on the second core. 3.3 GHz is greater than 2.9 GHz!

My desktop CPU: CPU topology with lscpu

The CPU i7-2600 is the 2nd generation: Sandy Bridge microarchitecture. There are 8 logical cores and 4 physical cores (so with Hyper-threading).

The lscpu renders a short table which helps to understand the CPU topology:

There are 8 logical CPUs (CPU 0..7 ), all on the same node (NODE 0) and the same socket (SOCKET 0). There are only 4 physical cores (CORE 0..3 ). For example, the physical core 2 is made of the two logical CPUs: 2 and 6.

Using the L1d:L1i:L2:L3 column, we can see that each pair of two logical cores share the same physical core caches for levels 1 (L1 data, L1 instruction) and 2 (L2). All physical cores share the same cache level 3 (L3).

P-states

A new CPU driver intel_pstate was added to the Linux kernel 3.9 (April 2009). First, it only supported SandyBridge CPUs (2nd generation), Linux 3.10 extended it to Ivybridge generation CPUs (3rd gen), and so on and so forth.

This driver supports recent features and thermal control of modern Intel CPUs. Its name comes from P-states.

The processor P-state is the capability of running the processor at different voltage and/or frequency levels. Generally, P0 is the highest state resulting in maximum performance, while P1, P2, and so on, will save power but at some penalty to CPU performance.

It is possible to force the legacy CPU driver (acpi_cpufreq) using intel_pstate=disable option in the kernel command line.

Idle states: C-states

C-states are idle power saving states, in contrast to P-states, which are execution power saving states.

During a P-state, the processor is still executing instructions, whereas during a C-state (other than C0), the processor is idle, meaning that nothing is executing.

• C0 is the operational state, meaning that the CPU is doing useful work
• C1 is the first idle state
• C2 is the second idle state: The external I/O Controller Hub blocks interrupts to the processor.
• etc.

When a logical processor is idle (C-state except of C0), its frequency is typically 0 (HALT).

The cpupower idle-info command lists supported C-states:

The cpupower monitor shows statistics on C-states:

Turbo Boost

In 2005, Intel introduced SpeedStep, a serie of dynamic frequency scaling technologies to reduce the power consumption of laptop CPUs. Turbo Boost is an enhancement of these technologies, now also used on desktop and server CPUs.

Turbo Boost allows to run one or many CPU cores to higher P-states than usual. The maximum P-state is constrained by the following factors:

• The number of active cores (in C0 or C1 state)
• The estimated current consumption of the processor (Imax)
• The estimated power consumption (TDP — Thermal Design Power) of processor
• The temperature of the processor

Example on my laptop:

The CPU base frequency is 2.9 GHz. If more than one physical cores is "active" (busy), their frequency can be increased up to 3.4 GHz. If only 1 physical core is active, its frequency can be increased up to 3.6 GHz.

In this example, Turbo Boost is supported and active.

Turbo Boost MSR

The bit 38 of the Model-specific register (MSR) 0x1a0 can be used to check if the Turbo Boost is enabled:

0 means that Turbo Boost is enabled, whereas 1 means disabled (no turbo). (The -f 38:38 option asks to only display the bit 38.)

If the command doesn’t work, you may have to load the msr kernel module:

Note: I’m not sure that all Intel CPU uses the same MSR.

intel_state/no_turbo

Turbo Boost can also be disabled at runtime in the intel_pstate driver.

Check if Turbo Boost is enabled:

where 0 means that Turbo Boost is enabled. Disable Turbo Boost:

CPU flag "ida"

It looks like the Turbo Boost status (supported or not) can also be read by the CPUID(6): "Thermal/Power Management". It gives access to the flag Intel Dynamic Acceleration (IDA).

The ida flag can also be seen in CPU flags of /proc/cpuinfo.

Read the CPU frequency

General information using cpupower frequency-info :

The frequency of CPUs is between 1.2 GHz and 3.6 GHz (the base frequency is 2.9 GHz on this CPU).

Get the frequency of CPUs: turbostat

It looks like the most reliable way to get a relialistic estimation of the CPUs frequency is to use the tool turbostat:

• Avg_MHz: average frequency, based on APERF
• Busy%: CPU usage in percent
• Bzy_MHz: busy frequency, based on MPERF
• TSC_MHz: fixed frequency, TSC stands for Time Stamp Counter

APERF (average) and MPERF (maximum) are MSR registers that can provide feedback on current CPU frequency.

Other tools to get the CPU frequency

It looks like the following tools are less reliable to estimate the CPU frequency.

In April 2016, Len Brown proposed a patch modifying cpuinfo to use APERF and MPERF MSR to estimate the CPU frequency: x86: Calculate MHz using APERF/MPERF for cpuinfo and scaling_cur_freq.

The tsc clock source logs the CPU frequency in kernel logs:

Conclusion

Modern Intel CPUs use various technologies to provide best performances without killing the power consumption. It became harder to monitor and understand CPU performances, than with older CPUs, since the performance now depends on much more factors.

It also becomes common to get an integrated graphics processor (IGP) in the same package, which makes the exact performance even more complex to predict, since the IGP produces heat and so has an impact on the CPU P-state.

I should also explain that P-state are "voted" between CPU cores, but I didn’t understand this part. I’m not sure that understanding the exact algorithm matters much. I tried to not give too much information.

Annex: AMT and the ME (power management coprocessor)

Computers with Intel vPro technology includes Intel Active Management Technology (AMT): "hardware and firmware technology for remote out-of-band management of personal computers". AMT has many features which includes power management.

Management Engine (ME) is the hardware part: an isolated and protected coprocessor, embedded as a non-optional part in all current (as of 2015) Intel chipsets. The coprocessor is a special 32-bit ARC microprocessor (RISC architecture) that’s physically located inside the PCH chipset (or MCH on older chipsets). The coprocessor can for example be found on Intel MCH chipsets Q35 and Q45.

More recently, the Intel Xeon Phi CPU (2016) also includes a coprocessor for power management. I didn’t understand if it is the same coprocessor or not.

Intel c state что это в биосе

Процессоры Intel поддерживают несколько технологий для оптимизации энергопотребления. В этой статье (перевод [1]) дается обзор p-состояний (оптимизация напряжения питания и частоты CPU во время работы) и c-состояний (оптимизация потребления мощности, если ядро не выполняет ни одной инструкции).

[P-состояния]

Во время выполнения кода операционная система и CPU могут оптимизировать энергопотребление с помощью различных P-состояний (P это сокращение от «performance», что означает «производительность»). В зависимости от требований, CPU работает на разных частотах. Состояние P0 соответствует самой высокой частоте (с самым высоким напряжением питания).

Для процессоров Intel до архитектуры Haswell/Broadwell, желаемая частота (и соответствующее ей напряжение питания) указывается операционной системой путем записи соответствующих величин в специальные регистры процессора [2][3].

В архитектуре Skylake операционная система может оставить управление P-состояниями аппаратуру CPU (Speed Shift Technology, Hardware P-states [4]). С Kaby Lake эти функции были дополнительно оптимизированы [5].

Speed Schift (сдвиг скорости). P-состояния определяются в BIOS, и управляются операционной системой. Технология Speed Schift дает полное или частичное управление частотой тактирования CPU (может осуществляться либо во всем диапазоне, либо в узком окне). Speed Schift требует поддержки со стороны операционной системы (Windows 10 с новыми обновлением эту функцию поддерживает), также требуется любой процессор Intel 6 Skylake. Сдвиг скорости означает ускоренный отклик на запросы изменения производительности со стороны ПО (JavaScript, инструменты офиса, веб-браузеры). Технология сдвига скорости обеспечивает увеличение производительности для обычных задач, при этом незначительно снижается общее энергопотребление, т. е. эффективность работы всей системы повышается.

[C-состояния]

В отличие от P-состояний, которые были разработаны для регулирования потребления мощности во время выполнения кода (т. е. в нормальном рабочем состоянии процессора), C-состояния используются для оптимизации энергопотребления в режиме ожидания (idle mode, т. е. когда никакой код процессором не выполняется).

Типовые C-состояния следующие:

C0 – Active Mode: код выполняется, это состояние соответствует одному из P-состояний.
C1 – Auto Halt (автоматическая приостановка).
C1E – Auto halt, low frequency, low voltage (автоматическая приостановка с пониженной частотой и напряжением питания).
C2 – Временное состояние перед переходом в C3. Память в рабочем состоянии.
C3 – Сброс кэшей L1/L2 (flush), выключение тактовых частот.
C6 – Сохранение состояний ядра перед выключением, и выключение PLL (т. е. прекращение синтеза тактовых частот).
C7 – C6, плюс может быть сброшен LLC (LLC означает кэш самого высокого уровня, т. е. самая медленная память кэш).
C8 – C7, плюс должен быть сброшен LLC.

Примечание *: показано в грубом приближении.

C-состояния можно отличить друг от друга по C-состояниям ядра (Core C-states или CC-states), состояниям корпуса (Package C-states или PC-states) и логическим состояниям. В большинстве случаев операционная система устанавливает определенное состояние для ядра путем выполнения команды MWAIT.

Примечание: «состояние ядра» (core state) относится к ядру, которое находится в состоянии самого большого потребления энергии (наиболее активно).

[Запрет в BIOS функции CPU Power Saving]

В некоторых случаях рекомендуется деактивировать в BIOS настройки экономии питания CPU. Здесь показано, где найти эти опции и как их запретить, чтобы опции управления питанием (CPU P State Control и CPU C State Control) были полностью запрещены в BIOS (на примере материнской платы Supermicro X10DRi и процессора Intel Xeon E5 2620v4.

Как запретить CPU Power Saving:

1. Во время начального процесса загрузки (сразу после включения питания или сброса) нажмите специальную клавишу для входа в BIOS. Чаще всего это Del (Delete) или F2, для материнской платы Supermicro X10DRi это клавиша Delete.

2. Перейдите в раздел настроек Advanced CPU Configuration -> Advanced Power Management Configuration.

3. Поменяйте настройку Power Technology в состояние Custom и Energy Efficient Turbo в состояние Disable.

4. Перейдите в раздел CPU P State Control, деактивируйте EIST (P-States) and Turbo Mode.

5. Перейдите в раздел CPU C State Control, поменяйте Package C State Limit на C0/C1 state и деактивируйте CPU C3 Report, CPU C6 Report и Enhanced Halt State (C1E).

leoossa / C-states.md

To limit a CPU to a certain C-state, you can pass the processor.max_cstate=X option in the kernel line of /boot/grub/grub.conf .

Here we limit the system to only C-State 1:

On some systems, the kernel can override the BIOS setting, and the parameter intel_idle.max_cstate=0 may be required to ensure sleep states are not entered:

You can confirm the maximum allowed CPU C-State with:

In order to save energy when the CPU is idle, the CPU can be commanded to enter a low-power mode. Each CPU has several power modes and they are collectively called “C-states” or “C-modes.”.

Устраняем проблемы электропитания, или не спешите сдавать железку по гарантии

Что может быть не так с настройками питания компонентов компьютера?

Давайте сначала взглянем вот на эту диаграмму:

реклама

Очевидно, что ноутбуков продается гораздо больше, чем собирается настольных компьютеров и производители компонентов и софта во многом ориентируются на ноутбучный сегмент.
В ноутбуках одна из ключевых характеристик — время автономной работы от батареи. Чтобы его продлить производители стараются максимально оптимизировать потребление энергии, снижая его всегда, когда это возможно. В качестве побочного эффекта мы получаем, что энергосбережение пытается взять власть и в моменты, когда ноутбук подключен в сеть и даже на настольном компьютере. Как только система чувствует, что нагрузка снижена или она бездействует, начинают активироваться режимы пониженного энергопотребления. И вот эти режимы могут на настольном компьютере неожиданно приводить к полному зависанию, отключению отдельного устройства или системы в целом.

За последние 8 лет я сталкивался с таким несколько раз на настольных компьютерах. Обнаруженные проблемы можно разложить по следующим категориям:

1. Внезапное отключение системы из-за высокого уровня c-states процессора
2. Подвисания системы из-за высокого уровня с-states
3. Внезапный отвал NVMe диска из-за режима энергопотребления по умолчанию, даже если диск был под нагрузкой
4. Кратковременное снижение производительности NVMe дисков из-за режима энергопотребления по умолчанию, даже если диск был под нагрузкой.

Проблемы у меня были с разными компонентами разных поколений и производителей: Intel i7-4770k, Ryzen-3900x, NVMe Kingston A2000. Судя по информации от других пользователей, проблемы бывают и со многими другими устройствами.

реклама

Первый раз я столкнулся с этим, когда 7 лет назад новенький компьютер с 4770k на борту начал подтормаживать без какой-либо серьезной нагрузки. Когда внезапно компьютер вырубился, я перебрал и перепроверил все компоненты: от блока питания до материнки. Путем исключения выяснил, что проблема с процессором, и, сначала уже хотел сдавать его по гарантии, но потом выяснил, что он исправен. Под Windows было крайне сложно понять что же происходит. Помог запуск под Linux и изучение его журнала, который оказался очень подробным. Система не вырубалась, но в списке ошибок было что почитать. Гуглю эти ошибки — и я узнаю, что ещё много людей мучаются с такой проблемой. Так я узнал про c-states и, что неким образом при его высоких значениях система сначала пытается снизить энергопотребление, а этого не хватает мощному десктопному процессору даже для простоя. Аналогичная ситуация происходила с Ryzen 3900х. Тоже хотел сдавать по гарантии, думал что два раза в одну воронку снаряд не попадает. Да и за 6 лет индустрия должна была (нет) уже с этим разобраться. Усложнялось все ещё тем, что если в случае с 4770k падения и подвисания происходили достаточно часто — раз в несколько дней и можно было отследить, то 3900х падал раз в месяц, да еще и был в офисе. Но, попробовав изменить c-states, все решилось и работает уже полтора года как часы.

Похожая ситуация была с ssd дисками — их режимы ожидания что под Windows что под Linux похоже целиком пришли из ноутбучного мира, что не совсем дружит с десктопом.

Что такое с-states, какие могут быть проблемы?

реклама

С-states — это режимы энергосбережения процессора. Впервые их ввели еще на 486м Intel’е.
В большинстве систем есть 7 уровней C-states (плюс еще некоторые подуровни для определенных процессоров). В некоторых системах есть и 10 уровней. В других есть пропущенные уровни. Если активирован уровень C0, то все компоненты процессора потребляют энергию. Процессор в полностью рабочем состоянии и никаких проблем не возникает. Уровни C1-C2 соответствуют все еще включенному процессору с рабочим кэшом, но с остановкой либо замедлением одного или нескольких внутренних тактовых генераторов. Начиная с уровня C3 начинается спящий режим, кэш L1 инструкций пустой. Уровни С4-С6 определяют глубину этого спящего режима. Система, отслеживая свою активность, вычисляет на какой уровень c-state надо перейти в данный момент. Если активность снижается, система повышает уровень, снижая энергопотребление.

У операционной системы есть глобальный параметр max_c-state, определяющий максимальное значение c-state в которое может уходить система. По умолчанию он как раз, наследуя ноутбучные правила, близок или равняется C6.

Проблемы могут возникнуть с повышением уровня C-states. Выходя с C0 на С1/C2 может произойти отключение или подвисания там, где этого не ждешь. Объясняется это тем, что современные алгоритмы управления C-states писались практически одинаковыми как для ноутбуков так и для мощных десктопных процессоров. Казалось бы, если установлен максимальный уровень на C3 или больше — то уже без разницы, какой будет конкретно уровень — ведь проблемы начинаются, когда система еще не в спящем режиме, а раньше. Но это не всегда так, у Windows 7 были проблемы как раз когда с C3 повышали максимальный допустимый уровень до C6. Видимо в системе были разные алгоритмы работы с энергопотреблением для разных максимальных уровней энергопотребления, а не только для текущего уровня.

Устраняем проблемы c С-states на Windows

Чтобы устранить проблему с c-states надо понизить его максимальный допустимый уровень до такого, когда система начнет работать стабильно. Если вы (как я) не выключаете компьютер месяцами, то можете сразу выставить C0.

Для этого надо под администратором воспользоваться утилитой командной строки POWERCFG :

1. Узнаем доступные схемы питания c помощью powercfg /list:
2. Выбираем схему Высокая производительность и копируем ее идентификатор. В моем случае идентификатор: 8c5e7fda-e8bf-4a96-9a85-a6e23a8c635c
3. Выполняем команду powercfg /SETACVALUEINDEX 8c5e7fda-e8bf-4a96-9a85-a6e23a8c635c SUB_PROCESSOR IDLESTATEMAX 0:Где последняя цифра — максимальный допустимый уровень с-states, который вы хотите задать. В моем случае это 0. Эта команда меняет схему питания «Высокая производительность», задавая новый максимальный уровень для неё.
4. Активируем схему питания: powercfg /SETACTIVE 8c5e7fda-e8bf-4a96-9a85-a6e23a8c635c

Устраняем проблемы с C-states на Linux:

1. открываем под sudo файл /etc/default/grub
2. ищем секцию GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT
3. прописываем intel_idle.max_cstate=0, где цифра — максимальный допустимый уровень c-state
4. не смущаемся, что параметр называется intel_idle, для AMD он тоже работает

реклама

Примечание: некоторые BIOS позволяют установить max c-state в своем меню, но не факт, что система не переопределит это значение.

Проблемы с энергосбережением nvme дисков

По аналогии с процессорами NVMe диски имеют несколько уровней энергосбережения.
Данная технология называется Autonomous Power State Transition (APST) и призвана в первую очередь увеличить время работы батареи ноутбука.

Контроллер собирает информацию об активности системы и частоте запросов к диску и выставляет оптимальный с его точки зрения режим энергопотребления. Работа этого алгоритма регулируется выбранной схемой энергопотребления, которая в первую очередь характеризуется величиной таймаута. Если за время более чем таймаут, указанный в схеме к накопителю не было ни одного запроса, то драйвер повышает глубину уровня ожидания NVMe, выходя из уровня S0. На более глубоких уровнях увеличивается максимальное время отклика диска. В настройках этой схемы, в целом беспроблемно работающей на ноутбуках может быть заложено состояние, зайдя в которое десктопная система вызовет сбой и диск отмонтируется из файловой системы. Более того, если ОС загружена с этого диска, то с большой вероятностью она умрёт, а испуганный пользователь захочет сдать диск или все остальные девайсы по гарантии. У меня отвал диска с системой был только под Линуксом, но сам этот диск отваливался и из под Windows (Windows была на SATA). Основная проблема была конечно не отвал, а подвисания.
Ниже приведены стандартные настройки таймаутов NVMe для разных схем питания под Windows:

Я не нашел, что такие схемы различаются для десктопов и ноутбуков. Но, к счастью, пользователь может управлять этой схемой. Если мы повысим таймаут, то диск просто никогда не успеет уйти на более глубокий уровень ожидания и будет всегда активен.

Меняем схему энергосбережения NVMe под Windows 10

Есть два способа исправить проблему с схемой энергосбережения NVMe — через команду powercfg или через реестр + настройки питания. Мы рассмотрим второй способ, так как он более нагляден
Через реестр:

1. Открываем реестр
2. Проходим в раздел HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\Power\PowerSettings\0012ee47-9041-4b5d-9b77-535fba8b1442\d639518a-e56d-4345-8af2-b9f32fb26109:
3. Меняем значение в поле Attributes c 1 на 0:
   
4. Теперь у нас доступна опция регулировки таймаута в настройках электропитания
5. Win+X -> Управление электропитанием -> Дополнительные параметры питания -> Настройка схемы электропитания (для вашей текущей схемы) -> Изменить дополнительные параметры питания
6. В открывшемся окне меняем таймаут на больший, если мы хотим, чтобы накопитель был активен почти всегда, и его не вырубало (я поставил 1000 когда были проблемы и они исчезли):
   

Меняем схему энергосбережения на Linux:

1. Открываем /etc/default/grub под sudo
2. под секцией GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT прописываем nvme_core.default_ps_max_latency_us=0

Как альтернатива — можно полностью отключить APST, но мне не удалось найти параметр.

Заключение:

Судя по тому, что я несколько раз сталкивался с этой проблемой и находил довольно многих пользователей с такими же неполадками, есть значительная часть десктопных компонентов отнесенная в сервис или сданная назад, будучи вполне рабочими, но не вполне совместимыми. Все это софтовые проблемы из-за ноутбучного влияния в коде ОС. Для рядового пользователя они совсем не приятные, и я надеюсь, что данный материал поможет кому-то из читателей.