P-States в BIOS: что это такое, как работают и стоит ли отключать

Мы уже рассказали вам о таком понятии, как C-States в предыдущей статье. Благодаря этим состояниям, современные центральные процессоры могут переходит в энергосберегающий режим в моменты простоя, однако у C-States есть альтернатива с иным функционалом, снижающим производительность CPU — P-States. В этой статье мы расскажем вам, что такое состояния P-States, чем они отличаются, как настроить их, а также объясним, когда стоит включать P-States, а когда нет.

P-States — это предопределенные уровни максимальной тактовой частоты и напряжения, на которых современный процессор может работать, находясь в активном состоянии (C0). Когда процессор выполняет задачи, он не всегда работает на максимальной частоте. Вместо этого система динамически переключает его между разными P-States, балансируя между производительностью и энергопотреблением под текущую нагрузку.

Нумерация уровней состояний P-States отражает уровень производительности и энергопотребления процессора в активном состоянии (C0). Вот какие уровни состояний P-States существуют:

• P-State 0 (P0): Пиковая производительность. Процессор использует максимально возможную частоту (включая Turbo Boost / Precision Boost) и соответствующее высокое напряжение. Используется при высокой и средней нагрузке, когда нужна максимальная скорость выполнения операций.
• P-State 1 (P1): Первая ступень снижения. Частота обычно составляет 80-90% от максимальной, напряжение снижено примерно до 90% от P0. Используется при умеренной или колеблющейся нагрузке, обеспечивая хороший баланс между производительностью и энергоэффективностью.
• P-State 2 (P2): Вторая ступень снижения. Частота падает до 60-70% от максимума, напряжение уменьшается примерно до 80% от P0. Используется при низкой нагрузке или фоновых задачах, где высокая производительность не требуется, а приоритет отдается экономии энергии и снижению тепловыделения.

Точное количество доступных P-States и их конкретные частоты/напряжения зависят от модели процессора и его прошивки. Современные процессоры могут иметь больше двух P-States (P3, P4...), обеспечивая более плавное регулирование производительности CPU. Управление ими обычно автоматизировано через технологии Intel SpeedStep/EIST/HWP или AMD Cool'n'Quiet/CPPC, однако в некоторых случаях настройку состояний можно произвести и самостоятельно, о чем мы расскажем ниже.

Несмотря на то, что C-States и P-States по-разному влияют на энергопотребление и производительность CPU, многие пользователи часто путают эти состояния. Разберемся, в чем же состоят ключевые отличия между состояниями C-States и P-States:

• C-States (Состояния простоя): Управляют энергопотреблением процессора в моменты простоя или очень низкой нагрузки. Чем глубже C-State (C1, C3, C6...), тем больше компонентов отключается или снижается энергопотребление, но пробуждение процессора в этом режиме занимает время.
• P-States (Состояния производительности): Управляют энергопотреблением и производительностью процессора во время его активной работы (C0). Переключение между P-States происходит быстро и позволяет гибко адаптироваться к текущей нагрузке без перехода в сон.

Управление P-States осуществляется через BIOS/UEFI материнской платы, но уровень доступного контроля и настройки сильно зависит от производителя, модели платы и процессора. Основные настройки находятся в разделах, связанных с управлением процессором или питанием (Advanced CPU Configuration, CPU Features, Power Management, AMD CBS). Ключевые параметры P-States:

На Intel:

• Intel SpeedStep Technology (EIST): Базовая технология управления P-States. Включение разрешает процессору динамически переключать P-States. Отключение обычно фиксирует процессор на базовой частоте (без Turbo Boost) или на P0 (если разрешен Turbo Boost).
• Hardware P-States (HWP): Более продвинутое и эффективное автоматическое управление P-States, реализованное на аппаратном уровне (доступно начиная с Skylake и новее). Включается параметром Hardware P-States или CPU Power Management Control > Hardware P-State Control.

На AMD:

• Cool’n’Quiet (CnQ): Базовая технология AMD для управления P-States и энергопотреблением. Включение разрешает переключение P-States.
• AMD Cool&Quiet Function / Global С-State Control: Иногда эти настройки влияют и на P-States. Обычно включены по умолчанию.
• AMD P-State Support: Параметр для выбора драйвера управления P-States в системах с поддержкой CPPC (современные Ryzen/EPYC). Поддерживает режимы Disabled (используется legacy ACPI), Enabled (используется драйвер amd-pstate), Active (более агрессивный режим amd-pstate-epp).
• Precision Boost Overdrive (PBO): Несмотря на то, что эта технология отвечает за разгон процессора, она тесно взаимодействует с системой P-States, поднимая пределы частоты/мощности в P0.

На многих современных платформах пользователю недоступно прямое ручное задание значений для P1, P2 и т.д. Управление P-States осуществляется автоматически через включение/выключение соответствующих технологий (EIST, CnQ, HWP, CPPC, Core Performance Boost) или косвенно через профили электропитания операционной системы.

Современные процессоры AMD Ryzen и EPYC используют усовершенствованную систему управления P-States, основанную на CPPC (Collaborative Processor Performance Control). CPPC — это протокол ACPI, позволяющий операционной системе и процессору общаться друг с другом и устанавливать оптимальные состояния P-States с очень высокой частотой и точностью. 

• Процессор сам непрерывно оценивает свою нагрузку, температуру и доступный бюджет мощности (PPT, TDC, EDC). На основе этой оценки его внутренний контроллер SMU мгновенно выбирает наиболее подходящий P-State для каждого ядра или группы ядер (CCX/CCD). Операционная система через драйвер лишь сообщает процессору свои предпочтения по производительности/энергосбережению через систему EPP, а процессор самостоятельно реализует их с помощью CPPC.
• CPPC обеспечивает значительно более быстрое и точное переключение P-States, чем при использовании старого драйвера ACPI acpi-cpufreq. Это приводит к лучшей отзывчивости системы, более стабильной частоте под нагрузкой и потенциально более высокому энергосбережению в простое.
• Драйверы CPPC также поддерживаются в Linux. Начиная с ядра 6.х, Linux получил новый драйвер amd-pstate и amd-pstate-epp, который использует CPPC для прямого управления P-States, предлагая лучшую производительность и эффективность, чем старый acpi-cpufreq. Для работы требуется поддержка CPPC в процессоре и включение соответствующей опции (AMD P-State Support) в BIOS/UEFI.

Аналогичный шаг вперед в области реализации P-States на платформах Intel произошел в архитектуре Skylake (6-го поколения Core и Xeon Scalable) с появлением системы Hardware P-States (HWP). Суть HWP заключается в следующем:

• Управление P-States переносится с уровня операционной системы (через драйвер intel_pstate) на аппаратный уровень самого процессора. Процессор сам, на основе встроенных алгоритмов и данных с датчиков, определяет оптимальные частоту и напряжение (P-State) в режиме реального времени.
• Это обеспечивает еще более более быстрое и плавное переключение состояний по сравнению с традиционным SpeedStep (EIST). Снижение задержек (latency) при изменении нагрузки, улучшение энергоэффективности и стабильности частоты. Критично для серверных сред, чувствительных к задержкам.
• Включается параметром Hardware P-States (или HWP) в BIOS/UEFI серверных и десктопных плат. На серверах часто требует включения Enhanced Intel SpeedStep Technology (EIST). В операционной системе HWP взаимодействует с драйвером intel_pstate и системными управляющими программами (например, powersave, performance, schedutil в Linux). Для работы в Windows Server необходим современный драйвер и поддержка со стороны гипервизора если используется виртуализация.

Отключение или принудительная фиксация P-States — это крайняя мера, нарушающая штатную работу процессора. Такое решение будет оправдано только в специфических сценариях, где преимущества стабильной частоты перевешивают катастрофический рост энергопотребления и тепловыделения.

Главная причина для фиксации P-States — борьба с задержками. Когда процессор резко переключается из низкого P-State (например, P2) в высокий (P0) при скачке нагрузки, возникает микро-задержка. Для большинства операций эта задержка не критична, но в средах с экстремальными требованиями к времени отклика, таких как высокочастотный трейдинг (HFT), системы реального времени (RTOS), VoIP-маршрутизация или инференс ИИ, даже десятки микросекунд задержки недопустимы. Фиксация на P0 гарантирует, что процессор всегда готов к мгновенному выполнению задачи.

Вторая возможная причина — требование к абсолютно стабильной тактовой частоте. В высоконагруженных серверах баз данных (1С, MS SQL, PostgreSQL), обрабатывающих тысячи операций с данными в секунду, колебания частоты из-за переключения P-States могут создавать просадки производительности. Постоянная работа на P0 обеспечивает стабильную и максимальную вычислительную мощность, хоть и ценой увеличения TCO из-за появления расходов на электроэнергию и охлаждение. Крайне редко фиксация P-States используется как костыль при нестабильной работе системы, вызванной ошибками в микрокоде или драйверах управления питанием, например, на ранних ревизиях новых материнских плат. Однако это исключительные случаи, и проблема обычно решается обновлением BIOS.

Риски такого отключения или фиксации P-States нельзя переоценить: процессор, зафиксированный на P0, потребляет максимальную мощность даже в моменты простоя. Это приводит к экспоненциальному росту энергопотребления, тепловыделения и шума системы. Кулеры вынуждены работать на высоких оборотах постоянно, сокращая свой ресурс. В долгосрочной перспективе постоянно высокие температуры и напряжение могут негативно влиять на срок службы компонентов, что в конечном счете может привести к их неожиданному выходу из строя.

Если вам все-таки понадобилось зафиксировать состояния P-States, есть несколько способов сделать это:

• BIOS/UEFI: Отключить Intel SpeedStep (EIST PSD) / AMD Cool'n'Quiet (CnQ) / AMD P-State. На некоторых платах есть явный пункт типа CPU Fixed Frequency или P-State 0 Only.
• ОС Windows: Выбрать схему электропитания “Максимальная/высокая производительность”. Это заставляет процессор большую часть времени находиться в состояниях высокой производительности (близко к P0).
• ОС Linux: Использовать утилиты cpupower или cpufreq-set для установки максимальной частоты и/или фиксации минимальной и максимальной частоты на уровне P0: cpupower frequency-set -g performance, cpupower frequency-set -d <max_freq> -u <max_freq>..

Подведем краткий итог, в каких сценариях отключение P-States оправданно, а в каких — нет.

P-States — это важнейший инструмент балансировки производительности и энергоэффективности центральных процессоров в современных вычислительных системах. Несмотря на то, что для некоторых сценариев использования состояния P-States приносят определенные неудобства, для выполнения большинства пользовательских задач эта функция является незаменимым решением, обеспечивающим оптимальный уровень производительности в зависимости от выполняемых задач.