Троттлинг: почему процессор сам себя замедляет?

Когда вы запускаете требовательное приложение или переходите в интенсивную сессию видеоигры, процессор вашего компьютера начинает работать с максимальной мощностью. Однако спустя некоторое время вы замечаете, что производительность неожиданно упала — кадры начинают падать, приложение лагает. Это не сбой, а сознательное решение самого процессора: он замедляет себя для собственной безопасности. Это явление называется троттлингом (от CPU throttling, что дословно переводится как — регулирование процессора).

Что такое CPU throttling

В самом простом определении, CPU throttling (динамическое масштабирование частоты) — это процесс автоматического снижения тактовой частоты или напряжения процессора в ответ на различные условия его работы. Представьте бегуна на марафоне в жаркий день: когда становится слишком жарко, он замедляется, чтобы избежать перегрева, если, конечно, им не движет высшая цель. Точно так же поступает и ваш процессор.

На практике это означает, что когда процессор начинает перегреваться или потреблять слишком много энергии, встроенные электронные схемы автоматически снижают его частоту работы. Если ваш процессор обычно работает на частоте 4,5 ГГц, при активации троттлинга он может замедлиться до 2,0-2,5 ГГц или ещё медленнее. Это снижение частоты прямо пропорционально уменьшает выделяемое процессором тепло и потребляемую мощность.

Механизм троттлинга встроен в практически все современные процессоры — от мобильных телефонов и ноутбуков до серверных и настольных систем. Производители Intel, AMD и другие компании реализуют свои версии этой технологии (например, Intel SpeedStep и AMD PowerNow!)

Почему процессор вообще перегревается

Чтобы понять, зачем нужен троттлинг, нужно сначала разобраться, откуда берется все это тепло. Современные процессоры — это необъятно сложные устройства с миллиардами транзисторов, работающих с огромной частотой. Каждый раз, когда электрический сигнал переходит с одного состояния в другое, высвобождается энергия в виде тепла. Чем выше частота работы и чем выше напряжение питания, тем больше тепла генерирует процессор.

На современном 5-нанометровом или 3-нанометровом техпроцессе этот эффект становится всё более острым. Производители стараются втиснуть как можно больше ядер и функциональности на одну площадь кристалла. При этом плотность энергии растет экспоненциально.

Виды и причины троттлинга

Тепловой троттлинг (Thermal Throttling) — самый известный вид. Он срабатывает, когда температура кристалла процессора приближается к предельно допустимому значению, называемому Tjunction Max (TjMax). Для большинства процессоров это значение находится в диапазоне 100-110°C. Например, у i9-14900K этот порог установлен на уровне 100°C, а у Ryzen 9 7900X3D — около 95°C. Когда процессор достигает этой температуры, встроенная логика управления снижает частоту и напряжение, чтобы температура не превысила опасный уровень и кристалл не получил необратимое повреждение.

Троттлинг по мощности (Power Limit Throttling) срабатывает по совершенно другой причине. Каждый процессор имеет определённые пределы по потреблению мощности. Эти пределы называются PL1 (долгосрочный лимит мощности) и PL2 (краткосрочный лимит для режима Turbo). Если процессор начинает потреблять больше энергии, чем позволяет блок питания, система питания материнской платы или тепловое окружение, срабатывает защита и снижает частоту. Это особенно часто происходит при разгоне, когда пользователь пытается увеличить напряжение и частоту сверх рекомендуемых значений.

Динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) — это не защитный механизм, а скорее проактивный способ экономии энергии. Многие современные процессоры используют DVFS для автоматического снижения частоты и напряжения во время низких нагрузок. Когда вы просматриваете веб-страницы или работаете с документами, процессор не нуждается в работе на максимальной частоте. Система автоматически снижает её, экономя электроэнергию и уменьшая теплогенерацию.

Математически основу DVFS составляет формула потребления энергии: P = C x V² x F, где V — напряжение, F — частота. Благодаря квадратичной зависимости от напряжения, небольшое снижение напряжения приводит к значительному снижению потребления энергии. Например, уменьшение напряжения на 20% снижает мощность на 36%.

Троттлинг сам по себе не является проблемой дизайна процессора. Проблема в том, что процессор не получает достаточного охлаждения. Иными словами, если вы страдаете от частого троттлинга, виновата, скорее всего, система охлаждения, а не сам процессор.

Как узнать, что происходит троттлинг

На ПК с Windows вы можете использовать программы наподобие CPU-Z, которая показывает текущую частоту ядер. Если вы видите, что при высокой нагрузке (близкой к 100% использованию CPU) частота неожиданно падает с заявленной базовой частоты на значительно более низкую величину, вполне вероятно, что срабатывает троттлинг.

Внезапное падение FPS в игре при высокой нагрузке, особенно если оно сопровождается повышением шума вентилятора; неожиданные зависания или прерывистая работа при редактировании видео или рендеринге; странные скачки в бенчмарках, когда первый проход показывает хороший результат, а последующие — значительно хуже (это происходит потому, что процессор нагрелся).

Как минимизировать нежелательный троттлинг

Улучшение системы охлаждения. Это первый и наиболее очевидный шаг. Хороший кулер, способный эффективно отводить тепло от кристалла процессора, может значительно снизить температуру. Также убедитесь, что вы используете качественную термопасту для процессора, я бы брал с теплопроводностью от 6 Вт/(м·К).

Улучшение воздушного потока в корпусе. Тепло от процессора, рассеиваемое кулером, должно удаляться из корпуса компьютера. Если вентилятор забит пылью или неправильно организована циркуляция воздуха, горячий воздух может циркулировать внутри корпуса, не покидая его. Обязательно нужно, чтобы одни вентиляторы работали на вдув, а другие, в свою очередь, на выдув, обычно передние вентиляторы должны вдувать, задние или верхние — выдувать.

Снижение температуры окружающей среды. Если в вашей комнате 32°C, процессор будет труднее охлаждать, чем при 20°C. Хотя вы не всегда можете это контролировать, стоит убедиться, что места введения и выведения воздуха компьютера не закрыты посторонними объектами. Так же было бы хорошо поставить компьютер в комнату с кондиционером.