Prozessoren

Custom Power Plan kann Boost-Takt von Ryzen-Prozessoren um 200 MHz erhöhen (Update)

Der Entwickler des DRAM Calculator für Ryzen-Prozessoren hat sich in jüngster Vergangenheit mit weiteren Aspekten der Prozessoren von AMD beschäftigt. Dies geschah offensichtlich im Zuge der Boost-Problematik, die inzwischen mit dem BIOS-Update auf AGESA 1.0.0.3ABBA behoben sein sollte.

In seinem aktuellen Projekt hat der Entwickler einen Custom Power Plan erstellt, der den Ryzen-Prozessoren zu einem noch höheren Boost-Takt verhelfen soll. Warum dies überhaupt möglich ist, obwohl AMD die Prozessoren laut eigenen Angaben bereits sehr effizient gestaltet hat, liegt wohl in der mangelnden Zusammenarbeit aus Hard- und Software. Per CPPC (Collaborative Processor Performance Control) sollen der Windows Scheduler und die Hardware in die Lage versetzt werden, die Hardware bestmöglich zu nutzen. Darin inbegriffen ist eine Topology Awareness – die Software bzw. der Windows Scheduler sollen die Eigenheiten der Hardware kennen, um die Ressourcen entsprechend besser zuteilen zu können. Einer der Punkte ist die Erkennung der besten und schnellsten Kerne und dementsprechend sollen die Rechenaufgaben auf diese zugeteilt werden.

Doch offenbar arbeitet dieser Mechanismus nicht korrekt und lässt damit Potenzial ungenutzt. Aus diesem Grund hat 1usmus den 1usmus Custom Power Plan entwickelt und auf Techpowerup vorgestellt. Darin erläutert er den Hintergrund in der Schwierigkeit über den Windows Scheduler eine bestmögliche Nutzung der Hardware zu erreichen. Ähnliche Verbesserungen will Microsoft mit dem Windows-10-19H2-Update (Windows 10 1909) einführen, doch ersten Tests der Insider Preview zufolge sollten die Erwartungen an das Update nicht zu hoch gesteckt werden.

Hintergrund zum Power Plan, dem Windows Scheduler und der Favored-Cores-Strategie

Alltagsanwendungen sind meist keine Workloads, die alle zur Verfügung stehenden Kerne vollständig und gleichmäßig auslasten. Im Normalbetrieb und in Spielen kommt es vielmehr häufig vor, dass hunderte, wenn nicht tausende Threads ständig mal eine höhere und mal eine geringe Auslastung erzeugen. Der Windows Scheduler versucht Ordnung in das Chaos zu bringen, was aber nicht immer gelingt, zumal noch weitere Faktoren eine Rolle spielen.

Die Hardware ist einer dieser Faktoren. Die Ryzen-Prozessoren von AMD verwenden ein Chiplet-Design. Es gibt einen zentralen IOD und für die Desktop-Prozessoren alias Matisse bis zu zwei CCDs. Auf jedem CCD befinden sich zwei CCX-Cluster. Wechseln die Threads zwischen den CCX-Clustern oder gar den CCDs, bedeutet dies, dass auch die Daten, die sich in den Caches befinden, übertragen werden müssen oder es zu kreuzenden Zugriffen kommt. In jedem Fall bedeuten solche Wechsel immer Verzögerungen und damit einen Verlust an Leistung. Hinzu kommen Wechsel zwischen dem Idle-Mode und verschiedenen P-States und vieles mehr. Der Windows Scheduler kennt zudem das Konzept von SMT nicht. So werden Threads auf virtuelle Kerne verteilt, deren echte Kerne eigentlich gerade den Power-State gewechselt haben. Ein ungünstiges Timing in der Zuteilung der Threads kann weitere Verzögerungen nach sich ziehen.

Es gibt also zahlreiche Szenarien, nach denen der Windows Scheduler in der Zuteilung Fehler macht bzw. unglückliche Entscheidungen treffen kann, die aber einen großen Einfluss auf die Leistung haben können. Eben an diesem Punkt setzt der Custom Power Plan an. Ein weiterer Punkt ist die Favored-Cores-Strategie. Verlangen einzelne Threads nach einer besonders hohen Priorität, sollten diese von den schnellsten Kernen berechnet werden. Dies scheint bei AMDs Power Plan ebenfalls noch nicht vollends zu funktionieren.

Im Artikel auf Techpowerup bietet 1usmus eine Installationsanleitung für den Custom Power Plan. Danach werden die Ergebnisse ausgewertet. Verwendet wurde dazu ein Testsystem bestehend aus:

• Ryzen 9 3900X
• EKWB Wasserkühler
• MSI MEG X570 GODLIKE (BIOS 7C34v160, AGESA 1.0.0.4?)
• G.Skill Trident Z Royal DDR4-3600 C16 Dual-Channel
• Windows 10 64 Bit 1903
• AMD Chipsatz-Treiber 1.9.27.1033

Ergebnisse des Custom Power Plan

Zunächst einmal sei erwähnt, dass AMD mit dem Ryzen Master ein Tool anbietet, welches bei der Auswertung helfen sollte. Allerdings scheinen sich hier diverse Fehler eingeschlichen zu haben, so dass es zu falschen Anzeigen kommt.

Es gibt außerdem andere Möglichkeiten herauszufinden, welche der zwölf Kerne des Ryzen 9 3900X die besten sind und dies hat 1usmus getan, um die Arbeit des Windows Schedulers beurteilen zu können. Der Vergleich zwischen dem AMD Power Plan und dem Custom Power Plan zeigt, wie unterschiedlich die Zuordnung allerdings erfolgt.

Während der AMD Power Plan den Kernen sieben bis neun die höchste Priorität und Rechenzeit im Cinebench 1T zuspricht, sollten die Kerne drei und vier die eigentlich bessere Wahl sein. Dies beachtet der Custom Power Plan und lässt zumindest Kern drei sowie Kern zwei (der drittbeste Kern des Prozessors) lange rechnen. Am Ende bedeutet dies natürlich eine bessere Ergebnis im Benchmark und auch anderen Anwendungen sollten davon profitieren.

Die höhere Leistung stammt natürlich von der Verwendung der besseren Kerne. Auch dies hat man festgehalten und mit dem Custom Power Plan liegt der Boost-Takt des Prozessors, bezogen auf die Verwendung der schnellsten Kerne, um gut 200 MHz höher als beim AMD Power Plan.

Die weiteren Ergebnisse des Custom Power Plan sind eine Reduzierung des Package Power Tracking (PPT) von 33 auf 24 % sowie des Thermal Design Current (TDC) von 20 auf 10 %. Auch der Electrical Design Current (EDC) sinkt von 27 auf 7 % – der Ryzen-Prozessor wird nicht nur schneller, er arbeitet auch deutlich effizienter. PPT, TDC und EDC sind wie folgt definiert:

Package Power Tracking (PPT): Das PPT wird in Prozent angegeben und somit kann der Nutzer prozentual die an den Sockel gelieferte Leistungsaufnahme erhöhen. Sollte hier Limit angezeigt werden, beschreibt dies das Limit bei aktiviertem PBO. Manuell lassen sich höhere Werte einstellen.

Thermal Design Current (TDC): Jedes Mainboard ermöglicht über seine VRMs einen maximalen Stromfluss an den Sockel. Das TDC wird in Prozent angegeben. Sollte hier Limit angezeigt werden, beschreibt dies das Limit bei aktiviertem PBO. Manuell lassen sich höhere Werte einstellen.

Electrical Design Current (EDC): EDC beschreibt die Peak-Werte für den maximalen Strom. Sollte hier Limit angezeigt werden, beschreibt dies das Limit bei aktiviertem PBO. Manuell lassen sich höhere Werte einstellen.

Wird AMD die Änderungen aufnehmen?

Die große Frage ist nun, wie AMD zum Custom Power Plan steht. In Zusammenarbeit mit Microsoft arbeitet man eigentlich genau an solchen Lösungen. Die letzten Chipsatz-Treiber, AEGSA-Updates und Windows-Updates sollten eigentlich zu einer verbesserten Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen geführt haben, doch offensichtlich gibt es hier weiter Potenzial.

Die Verwendung der Favored Cores, also der besten CPU-Kerne eines jeden Prozessors, scheint AMD noch nicht immer zu gelingen und dementsprechend groß kann das Plus durch den Custom Power Plan sein. Da es sich um eine reine Softwaremodifikation handelt, ist eine solche Änderung vollkommen risikolos und der experimentierfreudige Ryzen-Nutzer sollte sich den Custom Power Plan von 1usmus einmal genauer anschauen.

Verbesserungen soll der Custom Power Plan übrigens nicht nur für einen Ryzen 9 3900X bieten, sondern auch für die anderen Ryzen-Prozessoren – auch den zukünftigen Ryzen 9 3950X, der noch im November 16 Kerne auf den Sockel AM4 bringen wird.

1usmus arbeitet bereits an einer verbesserten Variante. Bis dahin viel Spaß mit dem Custom Power Plan.

Update:

Der Ryzen Power Plan wurde nun in Version 1.1 veröffentlicht. Darin enthalten sind Verbesserungen im Scheduling für Anwendungen, die ein bis vier Threads verwenden. Weitere Informationen und der Download sind bei TechPowerUp zu finden. 1usmus geht davon aus, dass die von ihm gemachten Änderungen bald auch den Weg in die offiziellen Power Plans finden werden.