Kuźnia mocy Intela – TAU, EWMA, PL1, PL2: jak to działa naprawdę? (12–15 gen, wątek aktualizowany)

[ITprospector 25]

Przedmowa

Wokół limitów mocy procesorów Intel narosło wiele uproszczeń, półprawd i powielanych mitów. Dyskusja bardzo często sprowadza się wyłącznie do wartości PL1, PL2 i TAU, podczas gdy w praktyce są one jedynie parametrami wejściowymi do znacznie bardziej złożonego mechanizmu kontroli mocy.

 

Warto podkreślić, że Intel opisuje mechanizm Package Power Control (PPC) - w tym EWMA i TAU - już od 7. generacji procesorów desktopowych.

Od procesorów Intel 12. generacji, wraz z wprowadzeniem architektury hybrydowej i wzrostem limitów mocy, znaczenie mechanizmu Package Power Control w praktycznej konfiguracji systemów istotnie wzrosło.

 

ℹ️ Celem tego wątku jest rzetelne i techniczne wyjaśnienie, jak działa zarządzanie mocą CPU Intela, ze szczególnym uwzględnieniem:

• EWMA (Exponentially Weighted Moving Average) – sposobu liczenia średniej mocy w czasie,
• TAU – parametru czasowego w mechanizmie EWMA, determinującego sposób egzekwowania limitów mocy,
• relacji EWMA + TAU do limitów PL1 i PL2,
• praktycznych konsekwencji ustawień BIOS/UEFI.

Ten wątek nie jest typowym poradnikiem OC ani zbiorem „magicznych ustawień”. Wyjaśnia mechanizm PPC w taki sposób, aby czytelnik:

• rozumiał, dlaczego procesor zachowuje się w określony sposób,
• dostrzegał różnice między specyfikacją Intela a implementacją producentów płyt głównych,
• potrafił świadomie interpretować testy wydajności, pobór mocy i temperatury.

 

💡 Spis treści : czego można się tu spodziewać?

 

1. Wprowadzenie

2. Fundamentalne nieporozumienie: TAU a PL2

3. Podstawy mechanizmu PPC (Power Package Control)

4. Definicje rozszerzone – omówienie TAU, EWMA, PL1, PL2, PL3, PL4 itd.

5. Jak działa zarządzanie mocą w praktyce

6. CPU Intel 12., 13. i 14. oraz 15. generacji – istotne różnice

7. Wnioski praktyczne i interpretacja TAU

8. Rozszerzony opis rysunku „Wizualizacja opcji ograniczania mocy SoC/platformy”

9. Podsumowanie końcowe

10. Źródła pomocnicze

11. Pogłębiona wiedza – pytania i odpowiedzi

12. Przykłady praktyczne – wpływ zmian czasu TAU

 

1. Wprowadzenie

• W tym materiale w możliwie przystępny, ale jednocześnie dokładny sposób wyjaśniam, jak działa Turbo Boost oraz limity mocy procesorów Intel 12., 13., 14. oraz 15. generacji. Skupiam się głównie na nowszych jednostkach, gdzie — ze względu na architekturę hybrydową oraz wyraźny wzrost poboru mocy — zagadnienia związane z PL1, PL2 i TAU mają szczególnie duże znaczenie praktyczne.
• Jednocześnie również posiadacze starszych CPU znajdą tu wartościowe informacje, ponieważ podstawowe mechanizmy zarządzania mocą, w tym EWMA i TAU, są obecne w wielu wcześniejszych generacjach i działają według podobnych zasad.
• W trakcie materiału niektóre pojęcia i zależności mogą pojawiać się kilkukrotnie, czasem w różnych ujęciach. Jest to zabieg celowy — różne sposoby przedstawienia tego samego zagadnienia często ułatwiają jego zrozumienie i utrwalenie.
• Celem jest pełne zrozumienie mechanizmu, a nie powierzchowna wiedza czy skrótowe hasła. Dzięki temu nie ma potrzeby ciągłego wracania do wcześniejszych fragmentów, a kolejne części materiału można czytać płynnie.
• Zapraszam do merytorycznej dyskusji, dzielenia się doświadczeniami oraz zgłaszania ewentualnych błędów. Materiał będzie w miarę możliwości na bieżąco aktualizowany — każda zmiana zostanie opatrzona datą i krótkim opisem na końcu pierwszego posta.

 

Materiał jest szczegółowy — warto przygotować kawę i wygodnie usiąść 😉

 

2. Fundamentalne nieporozumienie: TAU a PL2

W dyskusjach o procesorach Intel, szczególnie serii K, bardzo często pojawia się błędne utożsamianie TAU z czasem trwania PL2. To nieporozumienie może prowadzić do mylnych wniosków dotyczących tego, jak długo CPU może utrzymywać wysokie częstotliwości turbo.

 

⭐Na samym początku jedna kluczowa zasada, którą warto zrozumieć i zapamiętać:

• TAU ≠ czas trwania PL2.

✅ Parametr TAU nie określa czasu trwania boostu ani czasu pracy w PL2.
To jedno z najczęściej powielanych nieporozumień, dlatego będzie tu jeszcze kilkukrotnie przywoływane.

 

ℹ️ Co oznacza przykładowe TAU = 56 s?
Oznacza, że procesor oblicza wykładniczo ważoną średnią mocy (EWMA) z historii obciążenia, w której TAU jest stałą czasową algorytmu, decydującą o tym, jak duży wpływ mają nowsze pomiary względem starszych.

 

📌Jak długo może trwać PL2 w praktyce?

• krócej niż TAU
• w przybliżeniu tyle co TAU
• dłużej niż TAU

 

💡 Wszystko zależy od przebiegu obciążenia i dynamiki średniej EWMA.
To fundament logiki Turbo w nowoczesnych CPU Intela i klucz do zrozumienia dalszych wykresów i przykładów.

 

Dlaczego to jest ważne?

• Wiele osób błędnie zakłada, że zwiększenie TAU lub zmiana PL2 w BIOS/UEFI daje natychmiastowe i proporcjonalne zwiększenie czasu utrzymania maksymalnego Turbo Boost. W rzeczywistości, wpływ TAU i EWMA jest bardziej subtelny, ponieważ decyduje o tym, jak CPU „oblicza” średnią moc w czasie i kiedy osiągany jest limit PL1.
• Różne generacje procesorów mogą stosować różne domyślne wartości TAU i algorytmy EWMA, co oznacza, że czas reakcji mechanizmu na obciążenie różni się między CPU, nawet jeśli PL2 i PL1 mają identyczne wartości.
• Znajomość różnicy między TAU a PL2 jest kluczowa, jeśli chcemy świadomie interpretować testy wydajności, pobór mocy i temperaturę procesora.

 

3. Podstawy mechanizmu PPC (Power Package Control)

Intel Turbo Boost Technology 2.0 w procesorach Intel Core 12., 13/14 oraz 15 generacji umożliwia zwiększanie częstotliwości rdzeni powyżej częstotliwości bazowej, o ile procesor pracuje w granicach określonych limitów mocy, prądu i temperatury. Mechanizm ten opiera się na limitach mocy pakietu określanych jako PL1 (Power Limit 1) i PL2 (Power Limit 2) oraz na parametrze czasu okna energetycznego Tau, który jest używany przez mechanizmy kontroli mocy EWMA do obliczania uśrednionego poboru mocy pakietu w czasie.

 

💡 Dokumentacja Intela wyraźnie wskazuje, że limity "PL1 i PL2" określają dopuszczalne poziomy mocy pakietu, natomiast parametr "Tau" definiuje stałą czasową wykorzystywaną w algorytmie kontroli mocy, a nie sztywny czas trwania trybu turbo ani limitu PL2.

 

Maksymalne częstotliwości turbo są zależne od liczby aktywnych rdzeni oraz charakterystyki obciążenia i są określone w tabelach częstotliwości zapisanych w procesorze. W procesorach z architekturą hybrydową częstotliwości turbo są definiowane oddzielnie dla rdzeni Performance i Efficient.

Dokumentacja platform dla tych generacji opisuje również dodatkowe, opcjonalne limity mocy PL3 i PL4, przeznaczone do kontroli krótkotrwałych przekroczeń mocy pakietu; ich obecność i konfiguracja zależą od implementacji platformy.

 

Intel zaznacza, że funkcja "Intel Turbo Boost Technology 2.0" nie jest dostępna we wszystkich modelach procesorów, a osiągane częstotliwości i poziomy mocy są uzależnione od spełnienia warunków elektrycznych i termicznych określonych w specyfikacji procesora i platformy.

 

Ustawienia kontroli mocy pakietu PL1, PL2, PL3, PL4 oraz Tau pozwalają projektantowi (np. producentowi płyty głównej lub całego komputera, czy użytkownikowi) skonfigurować Intel Turbo Boost Technology 2.0, tak aby działała w granicach możliwości zasilania platformy i rozwiązania termicznego pakietu.
Wdrożenie Intel Turbo Boost Technology 2.0 wymaga jedynie skonfigurowania parametrów PL1, Tau oraz PL2, co w pewnym zakresie może również zrobić doświadczony użytkownik końcowy. PL3 i PL4 są domyślnie wyłączone.

 

📌W skrócie:

• PL1 – długotrwała moc
• PL2 – krótkotrwały boost mocy,
• PL3 i PL4 – bardzo krótkie piki mocy,
• TAU – parametr sterujący oknem średniej mocy EWMA,
• algorytm EWMA – sposób liczenia mocy średniej ważonej wykładniczo.

 

4. Definicje rozszerzone - omówienie

⚙️ PL1 “Power Limit 1” -  długoterminowy limit mocy CPU (PBP – Processor Base Power).

• W desktopach zazwyczaj istnieje możliwość jego zmiany w BIOS/UEFI.
• PL1 określa średnią moc, której CPU nie powinien przekraczać w długim okresie.
• Zaleca się ustawienie PL1 równo z PBP (Processor Base Power, znanym też jako TDP).
• PL1 nie powinien być ustawiany wyżej niż pozwala na to wydajność układu chłodzenia.
• Jest to limit mocy, który procesor może utrzymywać ciągle, bez ograniczeń czasowych.
• W algorytmie Turbo Boost średnia moc obliczona z użyciem TAU (EWMA) nie może przekroczyć PL1.
• PL1 zwykle odpowiada wartości PBP podawanej przez Intela i stanowi główny limit długotrwałej wydajności i temperatury CPU.

 

⚙️ PL2  „Power Limit 2”  - krótko‑terminowy limit mocy CPU (MTP – Maximum Turbo Power).

• W desktopach zazwyczaj istnieje możliwość jego zmiany w BIOS/UEFI, w przeciwieństwie do PL3 i PL4, które są najczęściej niedostępne.
• Przekroczenie PL2 powoduje, że mechanizmy kontrolne CPU ograniczają chwilowe skoki mocy, np. przez obniżenie częstotliwości lub napięcia.
• PL2 stanowi wyższy limit mocy, który pozwala CPU osiągnąć wyższe częstotliwości turbo w krótkim czasie.
• Czas utrzymania PL2 nie jest sztywny i zależy od kilku czynników:

         - średniej mocy względem PL1 (wyznaczanej algorytmem TAU/EWMA),

         - temperatury procesora i limitu TJmax,

         - wydajności układu chłodzenia,

         - możliwości zasilania i limitów prądowych płyty głównej (VRM),

         - ICCmax (maksymalnego prądu bezpieczeństwa CPU).

 

📌 PL2 nie jest „czasem turbo”; jest jedynie wyższym limitem mocy, który umożliwia CPU krótkotrwałe (lub długotrwałe) zwiększenie częstotliwości.

 

⚙️ PL3 „Power Limit 3”  — opcjonalny, krótki limit mocy CPU, stosowany do ograniczania bardzo krótkotrwałych pików poboru energii. W desktopach PL3 jest zwykle domyślnie

      wyłączony i niedostępny do konfiguracji przez użytkownika.

      Przekroczenie PL3 powoduje natychmiastowe ograniczenie częstotliwości procesora w celu redukcji chwilowych pików mocy, obejmujących czasy rzędu mikro- lub milisekund.

      PL3 działa niezależnie od algorytmu uśredniania mocy (EWMA) i stałej czasowej TAU. Jest parametrem opcjonalnym — podstawowe działanie Turbo Boost wymaga tylko PL1, PL2 i TAU.

 

⚙️ PL4 „Power Limit 4”  — opcjonalny, najwyższy limit mocy zdefiniowany w specyfikacji Intel Package Power Control, działający jako natychmiastowy limit szczytowy.

      Po jego aktywacji procesor nie może pobrać mocy powyżej wartości PL4; w przypadku próby przekroczenia następuje natychmiastowe ograniczenie częstotliwości lub napięcia.

      PL4 działa całkowicie niezależnie od algorytmu uśredniania mocy (EWMA) i stałej czasowej TAU, które dotyczą wyłącznie limitu PL1.

 

 

🧩 TAU – „Turbo Time Parameter" ….tak to słynne skomplikowane Tau, czyli „Parametr czasu Turbo”.

 

• 🧠 Nazwa Tau prawdopodobnie pochodzi od greckiej litery τ (tau), która w literaturze matematycznej i inżynierskiej od dawna służy do oznaczania stałej czasowej w funkcjach uśredniających i filtrach wykładniczych, takich jak EWMA (Exponential Weighted Moving Average). W kontekście procesorów Intela parametr „Tau” pełni podobną rolę – określa tempo zanikania wpływu starszych próbek mocy w średniej wykładniczej.
• Warto podkreślić, że Intel w oficjalnej dokumentacji nie używa symbolu "τ" ani nie publikuje jawnego wzoru EWMA, którego używa w algorytmie Turbo Boost. Dokumenty opisują parametr Tau jedynie semantycznie jako „stałą uśredniania wykorzystywaną w obliczeniach średniej mocy metodą EWMA”. Nie podano pełnej formuły ani funkcji krok po kroku, więc wszystkie interpretacje wzoru EWMA w kontekście Intela opierają się na ogólnej literaturze inżynierskiej i matematycznej, a nie na jawnie opublikowanym równaniu. Można powiedzieć, że Tau jest w dokumentach funkcjonalnie opisany, ale bez wzoru matematycznego.

• W praktyce Intel używa parametru „Tau” w pełni funkcjonalnie w algorytmie zarządzania mocą, pozostawiając symbol grecki "τ" jedynie jako analogię dla osób analizujących zachowanie algorytmu. Parametr ten określa „tempo wygaszania” starszych próbek mocy, co można interpretować również jako długość „okna pamięci energetycznej” CPU.

 

         💡 Funkcja TAU w algorytmie Turbo Boost

• TAU to stała czasowa wykorzystywana przez procesor Intela w algorytmie zarządzania mocą i turbo. Służy ona do obliczania uśrednionej mocy CPU za pomocą metody "EWMA" (Exponential Weighted Moving Average – wykładniczo ważona ruchoma średnia). Ta uśredniona moc jest następnie porównywana z limitem PL1, czyli długotrwałym, stabilnym limitem mocy. Wbrew częstym uproszczeniom TAU nie jest czasem trwania turbo ani licznikiem sekund, przez ile procesor może pracować na PL2. Reguluje wyłącznie to, jak szybko lub wolno obliczana jest średnia mocy.
• Procesor nie podejmuje decyzji turbo na podstawie chwilowego poboru energii, który potrafi zmieniać się bardzo gwałtownie, lecz na podstawie wartości uśrednionej. Uśrednianie odbywa się z wykorzystaniem funkcji EWMA, w której najnowsze próbki mają największy wpływ, a wpływ próbek starszych maleje wykładniczo wraz z upływem czasu. TAU określa dokładnie, jak szerokie jest to „okno pamięci energetycznej” i jak szybko ta wykładnicza waga opada. Jest to kluczowy parametr kontrolujący dynamikę przechodzenia między wyższym limitem mocy (PL2) a limitem długotrwałym (PL1).
• Technicznie działanie TAU wygląda następująco: procesor wielokrotnie w ciągu sekundy mierzy bieżący pobór mocy. Każda próbka trafia do algorytmu EWMA. Najnowsza próbka ma najwyższą wagę, a każda kolejna coraz mniejszą, malejącą w tempie określonym przez TAU. Duże TAU oznacza, że starsze próbki mocy przez długi czas zachowują znaczenie, a średnia opada wolno. To sprawia, że CPU dłużej może pracować w trybie PL2, o ile inne limity (temperatury, prądu czy napięcia) na to pozwalają. Małe TAU powoduje szybkie zanikanie historii obciążenia i szybkie opadanie średniej mocy, co wymusza wcześniejszy powrót do PL1. Wielkość TAU bezpośrednio wpływa więc na to, jak szybko średnia mocy „cofa” się po ustaniu obciążenia.
• Należy podkreślić, że TAU działa w sposób ciągły. Nie resetuje się w momencie wejścia lub wyjścia z PL2, nie zaczyna liczyć czasu od zera, nie pełni roli stopera ani „okna sekundowego”. Procesor liczy EWMA nieustannie, a TAU określa jedynie tempo zanikania wagi próbek z przeszłości. Określenie typu „TAU = 56 s” nie oznacza, że turbo trwa 56 sekund – oznacza jedynie, że wykładnicze wygaszanie wpływu próbek odpowiada stałej czasowej 56 sekund, co skutkuje wolniejszą reakcją algorytmu na zmiany obciążenia.
• Obliczona przez EWMA średnia mocy jest następnie porównywana z limitem PL1. Jeżeli średnia pozostaje poniżej lub na poziomie PL1, procesor może nadal korzystać z PL2 (jeśli nie blokują go inne limity). Jeżeli średnia przekracza PL1, algorytm wymusza zejście do niższego, długotrwałego limitu mocy. W ten sposób TAU wpływa bezpośrednio na długość okresów, w których procesor może utrzymywać wyższe taktowania, ale nie przez narzucanie konkretnego czasu, lecz poprzez to, jak długo utrzymuje się podwyższona średnia mocy.

• Intuicyjnie można myśleć o TAU jako o długości „pamięci energetycznej” procesora. Długie TAU sprawia, że CPU długo pamięta poprzednie obciążenie i wolno redukuje średnią, co sprzyja dłuższemu utrzymywaniu PL2. Krótkie TAU oznacza krótką pamięć energetyczną – CPU szybko zapomina o wysokim poborze mocy i szybciej jest zmuszany do powrotu do PL1. EWMA nie działa jak zwykła średnia z ostatnich X sekund, lecz jak średnia ważona, w której wpływ starszych próbek maleje płynnie według krzywej wykładniczej.

• 📌W formalnym ujęciu inżynierskim TAU to stała czasowa wykorzystywana w algorytmie EWMA do obliczania długoterminowej średniej mocy, używanej jako podstawa do porównania z limitem PL1. Określa tempo zanikania wpływu historii poboru mocy i pośrednio wpływa na to, jak szybko procesor jest zmuszany do powrotu do PL1 po dłuższym okresie pracy w PL2. Nie ustala czasu turbo, nie pełni roli licznika i nie jest bezpośrednio związany z PL2 poza mechanizmem dynamicznego uśredniania. Jest jednym z fundamentalnych parametrów opisujących dynamikę działania algorytmu turbo.

 

🧩 EWMA - Exponentially Weighted Moving Average  - „Średnia ruchoma ważona wykładniczo”

 

• 🧠 Zarys rozwoju:
• Metoda wykładniczego wygładzania ruchomego (EWMA, Exponentially Weighted Moving Average) wywodzi się z wcześniejszych koncepcji średnich ruchomych, ale klasyczna, statystycznie ujęta forma została opracowana w latach 50. XX wieku. Wprowadza ona parametr α – współczynnik wygładzania, który nadaje większą wagę nowszym obserwacjom.
• W 1956 r. Robert G. Brown zaprezentował tzw. simple exponential smoothing, czyli prostą metodę wygładzania wykładniczego, stosowaną w prognozowaniu szeregów czasowych. W 1957 r. Charles C. Holt rozszerzył tę metodę o komponent trendu liniowego, tworząc Holt’s linear trend method (dwukrotne wygładzanie wykładnicze).
• W kolejnych dekadach EWMA znalazło szerokie zastosowanie w statystyce przemysłowej (m.in. w kontrolach jakości procesów — EWMA Control Charts) oraz w inżynierii sterowania jako prosty filtr sygnałów. Od lat 80. metoda była stosowana w prognozowaniu biznesowym, finansach i ekonomii, szczególnie do modelowania zmienności i ryzyka.
• Do dziś EWMA pozostaje prostą, elastyczną i interpretowalną metodą wygładzania i prognozowania szeregów czasowych, wykorzystywaną zarówno w praktyce przemysłowej, jak i naukowej.

 

         💡  Definicja dot. zastosowania EWMA w CPU

 

• EWMA jest techniką matematyczną do śledzenia zmian w danych w czasie, która nadaje większą wagę nowym obserwacjom i szybko reaguje na zmiany.
• Intel (i inne firmy technologiczne) wykorzystuje ją, ponieważ umożliwia stabilne i szybkie monitorowanie dynamicznie zmieniających się parametrów, takich jak obciążenie procesora, temperatura, opóźnienia czy błędy.
• Jest to wykładniczo ważona średnia ruchoma stosowana m.in. przez algorytm Intel Turbo Boost Technology 2.0 do obliczania średniego poboru mocy procesora.
• Najnowsze próbki poboru mocy mają największą wagę, a starsze tracą wpływ wykładniczo zgodnie z funkcją 𝑒⁻ᵗ/ᵀᴬᵁ, gdzie t oznacza czas od pobrania próbki, a TAU jest stałą czasową określającą tempo zanikania znaczenia danych historycznych.
• Wartość EWMA jest aktualizowana na bieżąco, niezależnie od tego, czy procesor pracuje w PL1, PL2, czy chwilowo osiąga wyższe częstotliwości turbo.
• Dzięki EWMA procesor nie podejmuje decyzji turbo na podstawie chwilowych skoków poboru energii, lecz na podstawie uśrednionej, stabilnej wartości mocy — co zwiększa bezpieczeństwo i przewidywalność działania CPU.
• W praktyce oznacza to, że TAU nie jest czasem trwania turbo ani licznikiem sekund, lecz parametrem definiującym „reaktywność” systemu energetycznego — czyli to, jak szybko procesor reaguje na zmiany obciążenia i przełącza się między PL2 a PL1.
• Dłuższe TAU pozwala utrzymać wyższe częstotliwości turbo przez dłuższy czas, natomiast krótsze TAU powoduje szybszy powrót do PL1 — i to bez narzucania sztywnego limitu czasowego.

 

⚙️  TDP – Thermal Design Power (to już pojęcie bardziej historyczne u Intela)

• Określa ilość ciepła, którą układ chłodzenia musi ciągle odprowadzać, aby CPU pracował  zgodnie ze specyfikacją.
• Charakterystyka:

          - parametr termiczny, dotyczy projektu chłodzenia,

          - nie opisuje faktycznego poboru mocy w turbo !!!

          - od generacji Alder Lake wykorzystywany czasami w materiałach marketingowych.

 

⚙️ PBP — Processor Base Power (od 12. generacji)

• To długoterminowa moc, którą CPU może utrzymywać w sposób ciągły – odpowiednik PL1.
• Charakterystyka:

          - parametr elektryczny, opisuje realną moc,

          - odpowiada długotrwałej wydajności CPU,

          - zastąpił wcześniejsze TDP jako główny parametr techniczny.

 

⚙️ MTP — Maximum Turbo Power (odpowiednik PL2)

• Najwyższa moc, jaką procesor może osiągnąć w turbo.
• Jest wartością informacyjną — realne limity zależą od BIOS i platformy.

 

⚙️ ICCmax — maksymalny limit prądowy CPU

• Maksymalny bezpieczny prąd, jaki procesor może pobrać z linii VCC w określonych warunkach napięciowych i temperaturowych.
• Typowo obserwowany podczas syntetycznych, ekstremalnych obciążeń CPU, np. testów typu Small FFT w Prime95 czy Linpack, które maksymalnie wykorzystują rdzenie.
• Twardy limit: jeśli CPU osiągnie ICCmax, mechanizmy bezpieczeństwa VRM ograniczają turbo niezależnie od PL1/PL2/Tau.
• Na płytach z słabym VRM często źródłem throttlingu jest właśnie osiągnięcie ICCmax.

 

      Wyjaśnienie skrótu ICC:

      I = prąd w elektrotechnice (symbol fizyczny).

      CC = odniesienie do linii zasilania VCC (napięcie rdzenia CPU).

      Icc = „prąd z linii VCC”, używana konwencja w SoC, VRM i projektowaniu PCB.

      Dodatkowo:

      IccMax = maksymalny prąd pobierany z VCC,

      IccMin = minimalny prąd,

      IccAvg = średni prąd.

 

⚙️ TJmax — maksymalna dopuszczalna temperatura CPU

• Po jej osiągnięciu CPU natychmiast ogranicza taktowanie i moc, aby zapobiec przekroczeniu krytycznego progu termicznego rdzeni.
• Działanie to odbywa się poprzez dynamiczne obniżenie napięcia i częstotliwości (thermal throttling), aktywowane sprzętowo i z najwyższym priorytetem w całej logice sterowania procesorem.
• Mechanizm ten działa całkowicie niezależnie od ustawień PL1, PL2 i TAU — jest nadrzędny wobec limitów mocy i zawsze ma pierwszeństwo.
• Jeżeli mimo throttlingu temperatura nadal rośnie, CPU może rozpocząć stopniowe wyłączanie rdzeni lub zainicjować awaryjne wyłączenie systemu (PROCHOT → THERMTRIP), aby ochronić układ przed uszkodzeniem.

 

5. Jak działa zarządzanie mocą w praktyce?

       Procesor zarządza mocą dynamicznie, balansując chwilowe piki, średnią moc i limity bezpieczeństwa:

▶️ Po uruchomieniu obciążenia CPU może chwilowo osiągnąć limity mocy PL3/PL4, generując krótkotrwałe piki mocy.

▶️ Jeśli warunki termiczne i zasilania na to pozwalają, CPU przechodzi na PL2, czyli krótkoterminowy boost wielordzeniowy (np. przy ustawieniu PL1 < PL2)

▶️ Mechanizm monitoruje średnią moc za pomocą algorytmu EWMA w oknie czasowym Tau.

▶️ Gdy średnia moc przekracza PL1 (długoterminowy limit), CPU obniża częstotliwość i napięcie, aby pozostać w granicach bezpiecznych, czyli z PL2 przechodzi do PL1.

▶️ Jeśli średnia moc spada poniżej PL1, CPU może ponownie zwiększyć taktowanie i moc, utrzymując PL2 tak długo, jak pozwala chłodzenie i zasilanie.

 

     Efekty praktyczne:
• CPU może  dynamicznie reagować na zmieniające się obciążenie, wykorzystując chwilowe piki (PL3/PL4) i krótkoterminowy boost (PL2).
• Mechanizm EWMA + Tau powoduje, że „czas trwania turbo” jest efektem monitorowania średniej mocy i nie jest sztywnym parametrem.

   W skrócie: CPU balansuje między chwilowymi pikami a średnią mocą, aby maksymalizować wydajność bez naruszania bezpieczeństwa termicznego i elektrycznego.

  To, co większość ludzi uważa za „magiczny czas turbo”, jest po prostu reakcją algorytmu EWMA.

 

6. CPU Intel 12., 13. i 14. oraz 15. generacja – ważne tutaj różnice pod względem Turbo Boost

• Różnice między procesorami Intel serii Core 12., 13., 14. oraz 15. generacji wynikają przede wszystkim z odmiennej architektury oraz konfiguracji parametrów wpływających na działanie mechanizmu kontroli mocy opisanego w dokumentacji Intela (PL1, PL2, EWMA, Tau).
• W generacjach 13. i 14. zmieniają się przede wszystkim dopuszczalne zakresy limitów PL2, konfiguracja rdzeni Efficient oraz maksymalne częstotliwości turbo, przy zachowaniu tego samego mechanizmu Package Power Control.
• W 15. generacji (Core Ultra 200S) zmienia się natomiast charakterystyka energetyczna samego pakietu procesora wynikająca z nowej architektury i platformy, co wpływa na tempo narastania oraz stabilizacji poboru mocy w czasie.
• Ponieważ mechanizm Package Power Control działa w oparciu o uśrednioną moc całego pakietu, zmiany konfiguracji rdzeni, limitów PL2 oraz parametrów napięciowych skutkują odmiennym przebiegiem średniej mocy w czasie. W praktyce może to wpływać na czas, w którym średnia moc pakietu zbliża się do limitu PL1, a tym samym na czas utrzymywania wysokich częstotliwości turbo pod obciążeniem długotrwałym.
• Procesory i5, i7 i i9 mogą osiągać limit PL1 w różnym czasie,
• Średnia moc pakietu może narastać szybciej lub wolniej w zależności od generacji i architektury.
• Faktyczne zachowanie mechanizmu Turbo Boost pod długotrwałym obciążeniem może różnić się nawet przy identycznych ustawieniach PL1.

• Dodatkowym czynnikiem wpływającym na obserwowane różnice jest konfiguracja platformy, w szczególności ustawienia BIOS oraz stosowane polityki mocy (np. Intel Baseline lub profile nastawione na wydajność), które mogą modyfikować wykorzystanie limitów PL1, PL2 oraz parametrów czasowych. W efekcie porównywanie procesorów wyłącznie na podstawie TDP lub maksymalnego taktowania jest niewystarczające. Różne generacje i klasy CPU (i5 vs i7 vs i9, a także Core vs Core Ultra) posiadają odmienne profile energetyczne, co przekłada się na różnice w wydajności, temperaturach oraz czasie utrzymywania wysokich częstotliwości turbo przy tym samym obciążeniu.

 

7. Wnioski praktyczne i interpretacja EWMA / Tau

✅ TAU = 56 s oznacza, że mechanizm Package Power Control oblicza średni pobór mocy za pomocą EWMA na podstawie danych z ostatnich 56 sekund. To parametr uśredniania, a nie maksymalny czas trwania limitu PL2

✅ Czas trwania PL2 nie jest sztywno ograniczony do wartości Tau. Może być krótszy, równy lub dłuższy w zależności od obciążenia, konfiguracji rdzeni, limitów elektrycznych i termicznych.

W niektórych przypadkach, przy lekkim obciążeniu i odpowiednim chłodzeniu, PL2 może być praktycznie nielimitowany.

✅ Procesor utrzymuje PL2 tak długo, jak średnia moc pakietu (EWMA) pozostaje poniżej PL1 i jednocześnie nie zostają przekroczone ograniczenia temperatury, prądu (VRM) oraz chłodzenia.

W praktyce oznacza to, że czas utrzymania wysokich taktowań turbo zależy od równowagi między chwilową mocą, średnią mocą (EWMA) a możliwościami systemu zasilania i chłodzenia, a nie od sztywnego ustawienia Tau.

 

8. Rozszerzony opis rysunku „Wizualizacja opcji ograniczania mocy SoC/platformy”

        Czyli hierarchii limitów mocy procesora (PL4 → PL3 → PL2/MTP → PL1/PBP) oraz ich zachowania w czasie.

 

🔎 W pierwszej kolejności przedstawiam rysunki własnego autorstwa  w języku polskim, mam nadzieję, że pomogą one czytelnikowi o wiele łatwiej przyswoić zasadę działania limtów mocy, a szczególnie EWMA oraz co się dzieje, jeśli zmieniamy limity mocy na PL1 = PL2. Opis i zasadę działania w języku polskim przedstawiam już w samych rysunkach.

 

ℹ️ W odróżnieniu do rys. Intela, to u mnie moc CPU jest zakreślona w kolorze zielonym, jest to celowe, by wyodrębnić wizualnie i przedstawić zachowanie krzywej EWMA na linii czasu, czyli:

• kolor zielony = moc CPU,
• pomarańczowy = EWMA.
• Niebieskie poziome linie, to progi kolejnych limitów mocy. 

 

📊 Diagram Ogólny 

 

📌 Diagram pod lupą EWMA

 

 

 

📌 Diagram PL1 = PL2

 

 

 

 

 💡  Poniżej rysunek figure 17 z dokumentacji Intela, użyty wyłącznie w celu omówienia mechanizmu limitów mocy,

        źródło: Intel doc. No.: 743844, Rev.: 015

 

 

Co tutaj widzimy na rys. Intela:

• Żółta krzywa ilustruje typowy przebieg poboru mocy: początkowe krótkie piki, okres boostu (PL2) oraz ustabilizowanie się na długotrwałym limicie (PL1).
• EWMA (Exponential Weighted Moving Average) — (tutaj Average power) średnia ważona wyliczana w oknie czasowym definiowanym przez parametr TAU — decyduje, kiedy system przełącza się z poziomu PL2 do PL1.
• Dodatkowe ograniczenia, takie jak ICCmax, TJmax czy limity platformy PsysPLx, mogą wymusić wcześniejsze ograniczenia mocy niezależnie od PL1 i PL2.
• Oś pionowa Power — pokazuje poziom poboru mocy lub wydajności procesora (im wyżej, tym większa moc i wydajność).
• Oś pozioma Time — pokazuje przebieg zachowania CPU w czasie, czyli jak długo utrzymują się piki mocy, tryb turbo i długotrwały stan pracy.
• Typowy przebieg mocy CPU (żółta krzywa):
• Bardzo krótkie piki — na początku mogą wystąpić mikro-piki sięgające poziomu PL4 lub PL3 (bardzo krótkie impulsy).
• Wejście w PL2 (boost) — CPU korzysta z krótkiego zapasu mocy, pracując powyżej PL1, by zapewnić wyższe taktowania.
• EWMA „liczy” średnią (w zależności od TAU) — jeśli średnia wartość mocy szybko rośnie powyżej PL1, CPU wraca do PL1; jeśli nie, PL2 może być utrzymany dłużej.
• Długotrwały stan PL1 (PBP) — po pewnym czasie i obciążeniu CPU pracuje stabilnie na poziomie PL1, który jest bezpiecznym limitem mocy na długi okres czasu.

 

Wyjaśnienie notacji i oznaczeń na wykresie:

"Note1: Optional Feature, default is disabled"

Funkcje oznaczone symbolem „¹” (PL4¹, PL3¹/PsysPL3¹, PsysPL2¹, PsysPL3¹) są opcjonalne i mogą, ale nie muszą być aktywne na danej platformie. Domyślnie są wyłączone.

„Power in this region can be configured via PL1 Tau / PsysPL1 Tau”

Moc w tym zakresie może być konfigurowana zarówno przez ustawienia limitu CPU (PL1), jak i platformy/systemu (PsysPL1), oraz przez parametr TAU, który definiuje okno czasowe ważenia tych limitów.

„Duty cycles of power peaks in this region can be configurable via PL3/PsysPL3”

Czas trwania i częstotliwość występowania krótkotrwałych pików mocy można konfigurować za pomocą limitów PL3 oraz PsysPL3.

 

Znaczenie opisów przy wykresie:

„Power could peak for up to ~10 ms”
Moc może osiągać krótkotrwałe szczyty trwające do około 10 milisekund.

„Power could sustain here up to ~100 s”
Moc może być utrzymywana na tym poziomie przez około 100 sekund.

„Power could sustain here forever”
Moc może być utrzymywana na tym poziomie bez ograniczeń czasowych (przez czas nieokreślony)

 

9. ✅ Podsumowanie końcowe

• PL1 = długoterminowy limit - PBP
• PL2 = krótkoterminowy boost – MTP (ale...ten czas nie jest sztywny!)
• PL3/PL4 = bardzo krótkie piki mocy
• Tau = okno pomiarowe EWMA, a NIE czas trwania PL2
• CPU może utrzymywać PL2 dłużej niż Tau – jeśli średnia moc ≤ PL1.

Mechanizm ten zapewnia:

• maksymalną wydajność w krótkich zadaniach,
• bezpieczeństwo w długich obciążeniach,
• optymalne wykorzystanie możliwości chłodzenia.

 

ℹ️🗣️

Mam nadzieję, że ten materiał pozwolił uporządkować nawet te zagadnienia, które zwykle giną w chaosie skrótów i niejednoznacznych opisów producenta. Jeżeli choć w podstawowej formie pomógł zrozumieć, dlaczego procesor zachowuje się tak, a nie inaczej, to znaczy, że spełnił swoje zadanie — a jeśli przy okazji oszczędził komuś kilku godzin przekopywania internetu, to tym lepiej, bo nie wszystko musi pracować na wysokim „boostcie” 

 

10. Źródła pomocnicze: datasheet i publikacje Intel, oraz inne materiały:

• Intel Core Ultra 200S Series Processors Datasheet, Volume 1 of 2
• 13th & 14th Generation Intel Core / Series 1 & 2 / Xeon E-2400 Processor Datasheet – Volume 1 of 2
• 13th Generation Intel Core Processor Datasheet – Volume 2 of 2
• 12th Generation Intel Core Processor Datasheet – Volume 1 of 2
• 12th Generation Intel Core Processor Datasheet – Volume 2 of 2
• Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer Manuals - (SDM Volume 3B szczególnie istotny dla power/thermal/MSR/RAPL)
• Intel Turbo Boost Technology 2.0 / 3.0 – Product Brief & Technical Overview
• What Is Intel Turbo Boost Technology
• How Intel Technologies Boost Your CPU’s Performance
• Running Average Power Limit (RAPL) – Energy Reporting - (INTEL-SA-00389, oficjalna dokumentacja RAPL)
• Intel Dynamic Tuning Technology (Intel DTT) – User Guide
• SkatterBencher
• Evaluating and Modeling the Performance and Energy Efficiency of Multi-Core Turbo-Boost
• Exponential smoothing or exponential moving average (EMA)

 

tutaj to przerwa, albo kolejna kawa

11. Pogłębiona wiedza – pytania i odpowiedzi

 

Dlaczego TAU nie jest czasem trwania PL2

TAU nie jest czasem obowiązywania limitu PL2, ponieważ Intel definiuje ten parametr wyłącznie jako stałą czasową filtra średniej mocy (EWMA) stosowanego do egzekwowania limitu PL1. Nie jest to mechanizm czasowy ani licznik odliczający okres pracy powyżej PL1. Algorytm EWMA działa w sposób ciągły i nieprzerwany, zachowując stan historyczny niezależnie od aktualnego poziomu poboru mocy. W konsekwencji TAU nie uruchamia się w momencie wejścia procesora w PL2 i nie resetuje się przy powrocie do PL1.

TAU nie pełni funkcji timera ani limitu czasowego. Intel nie implementuje żadnego mechanizmu typu „czas minął – zakończ PL2”. Zakończenie pracy z mocą powyżej PL1 następuje wyłącznie wtedy, gdy średnia moc obliczana przez filtr EWMA, uwzględniająca wykładnicznie wygaszaną historię obciążenia, osiągnie lub przekroczy wartość PL1. Jeżeli średnia ta pozostaje niższa, procesor może utrzymywać pobór mocy zbliżony do PL2 przez długi czas, a w konfiguracjach bez dodatkowych ograniczeń nawet praktycznie bezterminowo.

TAU określa jedynie dynamikę reakcji algorytmu energetycznego, czyli tempo, w jakim wcześniejsze próbki mocy tracą wpływ na aktualną średnią. Krótkie, intensywne obciążenia podnoszą wartość EWMA, natomiast dłuższe okresy niskiego poboru powodują jej stopniowy spadek. To właśnie ta właściwość filtra, a nie upływ czasu liczony w sekundach, decyduje o tym, jak długo procesor może pozostawać w stanie poboru mocy powyżej PL1.

 

Dlaczego Intel jako wartości referencyjne stosuje TAU rzędu ~28 s lub ~56 s?

Intel nie definiuje jednej, uniwersalnej wartości TAU przypisanej do konkretnej generacji lub modelu procesora. Wartości rzędu ~28 s oraz ~56 s pojawiają się w dokumentacji jako parametry referencyjne wynikające z przyjętego modelu termicznego platformy, a nie jako sztywne właściwości konkretnego CPU. TAU dobierane jest tak, aby czas „pamięci energetycznej” filtra EWMA odpowiadał typowej dynamice nagrzewania się systemu chłodzenia w warunkach projektowych, zapewniając przewidywalne i stabilne zachowanie procesora w standardowych konfiguracjach OEM.

Referencyjne wartości TAU stanowią kompromis pomiędzy maksymalizacją wydajności a bezpieczeństwem termicznym. Umożliwiają one procesorowi wykorzystanie potencjału trybu turbo w początkowej fazie obciążenia, zanim układ chłodzenia osiągnie stan quasi-ustalony. W tym czasie procesor może pracować z mocą przekraczającą PL1 bez natychmiastowej redukcji częstotliwości, ponieważ średnia moc liczona metodą EWMA narasta stopniowo, a nie skokowo.

Z punktu widzenia projektanta platformy kluczowe jest, aby średnia moc stabilizowała się w czasie zbliżonym do momentu, w którym system chłodzenia osiąga równowagę termiczną. Dlatego wartości TAU dobierane są w odniesieniu do założeń TDP, typowej wydajności coolerów OEM, bezwładności termicznej radiatorów i materiałów konstrukcyjnych oraz standardowych warunków środowiskowych. W tym kontekście TAU rzędu ~56 s odpowiada typowemu czasowi, po którym klasyczny system chłodzenia przechodzi w stabilny reżim pracy, umożliwiając PCU podjęcie wiarygodnej decyzji o utrzymaniu mocy zbliżonej do PL2 lub przejściu do długoterminowego limitu PL1.

Choć TAU bywa potocznie utożsamiane z czasem trwania PL2, w rzeczywistości nie pełni funkcji timera. Określa ono wyłącznie dynamikę narastania średniej mocy w algorytmie EWMA. Większa wartość TAU oznacza wolniejsze „zapominanie” historycznego poboru energii i tym samym dłuższe utrzymanie trybu turbo, o ile pozwalają na to warunki termiczne i energetyczne.

W segmencie desktopowym, szczególnie na płytach głównych klasy Z-series, referencyjne wartości Intela są często ignorowane. Ustawienia typu „AUTO” lub tryby „Unlimited” skutecznie eliminują praktyczne znaczenie TAU i mechanizmu PL1, ponieważ firmware płyty głównej nie realizuje referencyjnego modelu zarządzania energią przyjętego przez Intela.

 

Co się zmienia po zmianie ustawienia TAU?

Zmiana wartości TAU nie wpływa na „czas trwania PL2”, lecz na dynamikę narastania średniej mocy, którą jednostka PCU porównuje z limitem PL1. TAU określa, jak szybko algorytm EWMA wygasza historyczny pobór energii i jak szybko reaguje na nowe obciążenie. W praktyce decyduje to o charakterze przejścia pomiędzy pracą z mocą zbliżoną do PL2 a długoterminowym limitem PL1.

Przy krótkich wartościach TAU rzędu kilku sekund filtr EWMA ma bardzo krótką „pamięć energetyczną”. Średnia mocy rośnie szybko, co powoduje wczesne i często gwałtowne przejście z PL2 do PL1. Zachowanie procesora staje się agresywne i podatne na fluktuacje obciążenia, a w zależności od charakteru aplikacji mogą pojawiać się częste cykle krótkiego wejścia i wyjścia z trybu PL2. Takie ustawienia spotyka się głównie w konfiguracjach wymagających restrykcyjnego ograniczania mocy lub przy bardzo słabym chłodzeniu.

Dla średnich wartości TAU, typowo 28–56 s stosowanych jako referencyjne przez Intela, uzyskuje się kompromis pomiędzy wydajnością trybu turbo a stabilną regulacją mocy. Średnia liczona jest w szerszym horyzoncie czasowym, krótkotrwałe skoki obciążenia są wygładzane, a przy odpowiednim chłodzeniu procesor statystycznie dłużej utrzymuje moc zbliżoną do PL2. Charakterystyka pracy jest bardziej przewidywalna i zgodna z założeniami projektowymi platform OEM.

Przy długich wartościach TAU rzędu kilkudziesięciu do ponad stu sekund algorytm EWMA posiada bardzo długą „pamięć” zużycia energii. Średnia mocy narasta wolno, co pozwala procesorowi przez długi czas pozostawać w stanie zbliżonym do PL2, o ile nie występują ograniczenia termiczne. W takim przypadku PL2 może utrzymywać się znacznie dłużej niż sama wartość TAU. Zachowanie procesora jest łagodne i mało wrażliwe na krótkie skoki poboru mocy, co sprzyja stabilnemu utrzymywaniu wysokich częstotliwości. Tego typu konfiguracje są typowe dla płyt głównych z nastawami entuzjastycznymi, gdzie priorytetem jest jak najdłuższe utrzymanie trybu turbo.

 

Jak EWMA decyduje, kiedy zejść z PL2 do PL1?

EWMA w procesorach Intel jest filtrem wygładzającym średnią moc w czasie, a jednostka PCU wykorzystuje tę wartość jako jedyne kryterium decyzyjne przy egzekwowaniu limitu PL1. Algorytm działa nieprzerwanie, nadając większą wagę nowszym próbkom poboru mocy i stopniowo wygaszając wpływ próbek starszych zgodnie ze stałą czasową TAU.

PCU w sposób ciągły porównuje aktualną wartość średniej mocy obliczonej metodą EWMA z limitem PL1. W momencie, gdy średnia ta przekroczy wartość PL1, procesor kończy fazę pracy z mocą zbliżoną do PL2 i przechodzi do trybu ograniczonego limitem długoterminowym. Jeżeli natomiast średnia pozostaje na poziomie równym lub niższym niż PL1, procesor może utrzymywać pracę powyżej PL1 lub ponownie wejść w PL2, o ile spełnione są pozostałe warunki trybu turbo.

PL2 nie kończy się po upływie określonego czasu i nie jest sterowane żadnym licznikiem. Zakończenie tej fazy następuje wyłącznie w wyniku przekroczenia przez średnią moc wartości PL1. Oznacza to, że czas trwania PL2 może być bardzo krótki albo bardzo długi, w zależności od tego, jak szybko średnia mocy „napełni się” energią w filtrze EWMA. TAU determinuje tempo narastania tej średniej, lecz samo w sobie nie stanowi żadnego limitu czasowego.

W praktyce PL2 pozostaje aktywne tak długo, jak długo średnia moc liczona metodą EWMA nie przekracza PL1. Przy skutecznym chłodzeniu i umiarkowanym chwilowym poborze energii średnia może narastać wolno, co pozwala procesorowi utrzymywać pracę z mocą zbliżoną do PL2 przez znacznie dłuższy okres.

 

Jak i kiedy CPU „wie”, że musi zejść z PL2?

Procesor nie podejmuje decyzji o zakończeniu pracy w PL2 na podstawie chwilowego skoku poboru mocy. Jednostka PCU przez cały czas utrzymuje bieżącą wartość średniej mocy obliczanej metodą wygaszania wykładniczego (EWMA). Jest to proces ciągły, działający bez resetów i bez powiązania z konkretnym momentem wejścia lub wyjścia z trybu PL2.

EWMA nie odpowiada na pytanie, ile mocy procesor pobiera w danej chwili, lecz na pytanie, czy profil zużycia energii w ujęciu historycznym wskazuje na przekroczenie lub ryzyko przekroczenia długoterminowego limitu mocy. Dzięki wykładnicznemu wygaszaniu starszych próbek PCU posiada płynny, dynamiczny obraz obciążenia, a nie sztywne okno czasowe.

Decyzja zapada w momencie porównania aktualnej wartości EWMA z limitem PL1. Jeżeli średnia moc przekroczy PL1, procesor kończy pracę z mocą zbliżoną do PL2 i przechodzi do trybu ograniczonego PL1. Jeżeli natomiast EWMA pozostaje równa lub niższa od PL1, procesor może utrzymywać PL2, o ile spełnione są pozostałe warunki trybu turbo, takie jak ograniczenia termiczne, prądowe i napięciowe.

Nie istnieje żaden mechanizm czasowy typu „limit upłynął – wyłącz turbo”. Decyzja o zejściu z PL2 jest wyłącznie funkcją średniej mocy obliczanej przez filtr EWMA oraz aktualnych możliwości chłodzenia.

 

Gdzie fizycznie wykonywane są obliczenia EWMA?

Obliczenia EWMA w procesorach Intel 12.–14. generacji wykonywane są wyłącznie wewnątrz CPU. Mechanizm zarządzania energią jest kontrolowany przez Power Control Unit (PCU), który działa autonomicznie na podstawie własnego mikrokodu. PCU, w oparciu o dane z liczników energii RAPL, realizuje ciągłe obliczenia średniej mocy za pomocą dedykowanych rejestrów sprzętowych, a cały proces przebiega niezależnie od systemu operacyjnego.

• Mikrokod i Power Control Unit (PCU)

Mikrokod odpowiada za sterowanie logiką energetyczną, w tym za porównywanie średniej mocy (EWMA) z limitami PL1 i PL2 oraz za aktywowanie mechanizmów throttlingu, jeśli wymagają tego warunki termiczne i energetyczne. Mikrokod nie wykonuje jednak fizycznych obliczeń arytmetycznych; zarządza przepływem danych w systemie energetycznym CPU.

PCU to dedykowany blok, który monitoruje parametry takie jak moc, temperatura i napięcia, integrując dane z liczników RAPL. Działa w sposób autonomiczny i ciągły, niezależnie od systemu operacyjnego. To właśnie PCU, przy pomocy własnej logiki cyfrowej, prawdopodobnie realizuje obliczenia EWMA.

• RAPL i Rejestry

Licznik RAPL dostarcza precyzyjnych informacji o zużyciu energii przez rdzenie i pakiety CPU, aktualizowanych w krótkich odstępach czasu. Te dane są wykorzystywane przez PCU do śledzenia trendów zużycia energii, co umożliwia ocenę, czy CPU przekroczyło długoterminowy limit mocy.

Logika Arytmetyczna PCU

Intel nie ujawnia szczegółów na temat architektury jednostek obliczeniowych w PCU, ale można przypuszczać, że PCU korzysta z prostych operacji arytmetycznych do realizacji algorytmu EWMA. Mimo to szczegóły dotyczące implementacji pozostają niejawne.

• Podsumowanie

Mikrokod pełni funkcję sterującą, kontrolując decyzje o zarządzaniu energią, a PCU realizuje obliczenia EWMA na podstawie danych z liczników RAPL. Całość procesu jest autonomiczna, działająca wewnątrz CPU, bez potrzeby angażowania systemu operacyjnego. Dzięki temu PCU jest w stanie na bieżąco monitorować średnią moc i decydować o przejściu do trybu PL1 lub PL2, w zależności od warunków termicznych i energetycznych.

 

Dlaczego CPU musi zejść z PL2 do PL1?

Przejście z PL2 do PL1 nie jest mechanizmem karnym ani sztucznym ograniczeniem wydajności, lecz integralnym elementem architektury energetycznej Intela, zaprojektowanym w celu zapewnienia długoterminowej stabilności i bezpieczeństwa pracy procesora. Mechanizm ten jest formalnie zdefiniowany w specyfikacjach energetycznych Intela, opartych o RAPL i TDP, i realizowany automatycznie przez jednostkę PCU.

PL1 reprezentuje poziom mocy, który procesor może utrzymywać w sposób ciągły, bez ryzyka przegrzania, przyspieszonej degradacji krzemu ani przeciążenia sekcji zasilania płyty głównej. Jest to limit odpowiadający długoterminowym możliwościom termicznym i elektrycznym całej platformy, a nie jedynie samego rdzenia CPU. PL2 natomiast stanowi tryb chwilowego zwiększenia mocy, przeznaczony do krótkotrwałych skoków obciążenia, których celem jest poprawa responsywności i maksymalizacja wydajności w początkowej fazie intensywnej pracy.

Utrzymywanie poboru mocy na poziomie PL2 w sposób długotrwały prowadziłoby do przekroczenia możliwości układu chłodzenia oraz limitów zasilania przyjętych w projekcie platformy. Z tego powodu procesor musi w pewnym momencie przejść do PL1, gdy średnia moc obliczana metodą EWMA zaczyna wskazywać, że bieżący profil zużycia energii nie mieści się już w granicach bezpiecznej pracy ciągłej. Zejście do PL1 jest więc naturalnym efektem dopasowania mocy do długoterminowych możliwości termicznych i energetycznych systemu, a nie arbitralnym ograniczeniem czasu pracy w trybie turbo.

 

Czy da się przewidzieć czas zejścia z PL2 do PL1?

Czas zejścia z PL2 do PL1 można oszacować, lecz nie da się go wyliczyć z dokładnością do konkretnej sekundy, ponieważ procesor nie korzysta z licznika czasu, lecz z algorytmu średniej ważonej EWMA. Przewidywanie opiera się na analizie, jak szybko średnia moc narasta i kiedy osiągnie poziom PL1, a nie na upływie określonego czasu.

Kluczowym parametrem jest wartość TAU, która determinuje bezwładność filtra EWMA. Im mniejsze TAU, tym szybciej średnia reaguje na wzrost poboru mocy i tym wcześniej dochodzi do przekroczenia PL1. Większe TAU powoduje wolniejsze narastanie średniej i wydłuża okres pracy z mocą zbliżoną do PL2, o ile nie występują inne ograniczenia.

Istotne znaczenie ma również różnica pomiędzy PL2 a PL1. Duża różnica powoduje, że średnia mocy rośnie szybciej, ponieważ chwilowy pobór znacząco przewyższa limit długoterminowy. Gdy różnica jest niewielka, „napełnianie” średniej przebiega wolniej, co opóźnia moment zejścia do PL1.

Na tempo narastania EWMA wpływa także rzeczywisty profil obciążenia procesora. Stałe, jednorodne obciążenie utrzymujące pobór mocy blisko PL2 przyspiesza wzrost średniej, natomiast obciążenia nieregularne, z przerwami lub zmiennym wykorzystaniem rdzeni, powodują wolniejsze jej narastanie i wydłużenie pracy w PL2. Znaczenie ma również charakter instrukcji — intensywne obciążenia AVX, AVX2 lub AVX-512, o wysokim koszcie energetycznym na cykl, podnoszą średnią znacznie szybciej niż obciążenia typu scalar lub SSE.

Należy również uwzględnić czynniki niezależne od samego algorytmu EWMA. Ograniczenia termiczne, wysoka temperatura rdzeni lub pakietu, a także limity prądowe i możliwości sekcji zasilania mogą wymusić redukcję mocy wcześniej, nawet jeśli średnia EWMA formalnie nie przekroczyła jeszcze PL1. W praktyce oznacza to, że rzeczywisty moment zejścia z PL2 jest wynikiem współdziałania algorytmu EWMA, parametrów PL1 i PL2 oraz fizycznych możliwości chłodzenia i zasilania platformy.

 

Czy EWMA używa temperatury jako warunku?

Algorytm EWMA stosowany w mechanizmie limitów mocy PL1/PL2 w procesorach Intela nie wykorzystuje temperatury jako zmiennej wejściowej do obliczeń średniej mocy. Obliczenia EWMA opierają się wyłącznie na danych o energii i mocy pochodzących z liczników energii RAPL. Temperatura nie jest składnikiem formuły EWMA, nie wpływa na ważenie próbek ani nie modyfikuje wartości średniej mocy na żadnym etapie działania algorytmu.

Kontrola temperatury realizowana jest przez odrębny, równoległy mechanizm ochronny. Gdy temperatura rdzeni lub pakietu zbliża się do wartości granicznej określonej przez parametr Tjunction (TjMax), procesor uruchamia mechanizmy thermal throttling, które obniżają częstotliwości i napięcia w celu natychmiastowej ochrony krzemu. Mechanizmy te działają niezależnie od limitów PL1, PL2 oraz algorytmu EWMA i nie są częścią algorytmu zarządzania średnią mocą.

Oba mechanizmy mogą jednak oddziaływać na siebie pośrednio. Thermal throttling, poprzez obniżenie chwilowego poboru mocy, może spowolnić narastanie lub obniżyć wartość EWMA. Z kolei wysoka średnia moc wynikająca z działania EWMA może prowadzić do wzrostu temperatury i w konsekwencji do aktywacji ograniczeń termicznych. Są to jednak skutki wtórne wynikające z fizycznych właściwości układu, a nie elementy algorytmu EWMA ani jego logiki decyzyjnej.

 

Dlaczego w desktopach zaleca się też konfigurację PL1 = PL2 - i kiedy to faktycznie ma sens?

W komputerach stacjonarnych konfiguracja PL1 = PL2 jest również stosowana, ponieważ eliminuje czasowe zarządzanie mocą oparte na EWMA i TAU, upraszczając zachowanie procesora pod stałym obciążeniem. Należy jednak podkreślić, że samo wyrównanie limitów mocy nie gwarantuje możliwości ich długotrwałego utrzymania.

W praktyce desktopowe procesory Intel serii K, pracujące z domyślnym napięciem Vcore (Auto), bardzo często osiągają wysoki pobór mocy i temperatury przekraczające możliwości nawet wydajnych systemów chłodzenia cieczą. Wynika to z konserwatywnej charakterystyki napięcie–częstotliwość oraz agresywnych ustawień napięciowych płyt głównych, a nie z ograniczeń sekcji VRM.

W efekcie, bez ręcznego obniżenia napięcia (undervoltingu) lub korekty krzywej V/F, procesor zazwyczaj nie jest w stanie utrzymać mocy odpowiadającej PL2 w sposób ciągły, niezależnie od ustawienia PL1 i TAU. W takim scenariuszu rzeczywistym mechanizmem ograniczającym staje się throttling termiczny lub prądowy, a nie algorytm PL1/PL2.

Konfiguracja PL1 = PL2 nabiera sensu dopiero wtedy, gdy:

• napięcie Vcore zostało zoptymalizowane,
• chłodzenie jest w stanie stabilnie odprowadzać wynikającą z tego moc,
• a procesor nie wchodzi w throttling termiczny przy długotrwałym obciążeniu.

W przeciwnym razie rozdzielenie PL1 i PL2 pełni rolę zaworu bezpieczeństwa, pozwalając procesorowi korzystać z wysokiej mocy tylko przez ograniczony czas, zanim temperatura i pobór energii wymuszą zejście do poziomu bezpiecznego długoterminowo.

 

Jak ustawić PL1, PL2 i TAU? – wskazówki dla użytkownika bez zaawansowanej wiedzy

Jeżeli korzystasz z komputera stacjonarnego i masz chłodzenie zdolne utrzymać temperatury procesora poniżej limitu termicznego przy długim obciążeniu, najprostszym i najbardziej przewidywalnym ustawieniem jest wyrównanie PL1 i PL2 do jednej, rozsądnej wartości mocy. W praktyce oznacza to ustawienie PL1 = PL2 na poziomie odpowiadającym możliwościom chłodzenia i sekcji zasilania płyty głównej.

W takim układzie parametr TAU przestaje mieć znaczenie praktyczne, ponieważ procesor nie przełącza się między dwoma poziomami mocy. Zachowanie CPU staje się stabilne, powtarzalne i pozbawione nagłych spadków taktowania wynikających z algorytmu EWMA.

Jeżeli nie chcesz ingerować głębiej w ustawienia BIOS, bezpiecznym punktem wyjścia jest pozostawienie TAU w trybie Auto i dobranie jednego limitu mocy tak, aby procesor nie wchodził w throttling termiczny przy długotrwałym obciążeniu.

W przypadku słabszego chłodzenia lub chęci ograniczenia temperatur i hałasu wentylatorów, warto pozostawić rozdzielenie PL1 i PL2. Wtedy PL1 powinno odpowiadać mocy, którą system jest w stanie odprowadzać w sposób ciągły, a PL2 może być wyższe, aby zapewnić krótkotrwały wzrost wydajności. TAU należy traktować jako parametr wpływający na płynność przejścia między tymi stanami, a nie jako „czas turbo”.

Podsumowując: dla większości użytkowników desktopów najlepszym wyborem jest jeden limit mocy ustawiony realistycznie do chłodzenia, a TAU w Auto. Dopiero gdy pojawi się potrzeba redukcji temperatur lub hałasu, sensowne staje się świadome rozdzielenie PL1, PL2 i modyfikacja TAU mając na uwadze również optymalizację napięcia procesora.

Nawet przy PL1 = PL2 algorytm EWMA nadal działa wewnętrznie, ale nie wpływa na zachowanie procesora, ponieważ nie występuje przełączanie między limitami mocy.

 

12. Przykłady praktyczne – wpływ zmian czasu TAU

Przykłady praktyczne wpływu TAU na czas utrzymania PL2
ℹ️(Intel Core i5-13600K, Cinebench 2024, obniżone i zoptymalizowane napięcie procesora Vcore,)

Poniższe przykłady ilustrują praktyczne działanie algorytmu EWMA/TAU w warunkach powtarzalnego, długotrwałego obciążenia renderującego. W każdym scenariuszu procesor rozpoczyna test z chwilowym poborem mocy około 130 W, czyli powyżej PL1 = 125 W i poniżej PL2 = 181 W. Przejście z PL2 do PL1 następuje w momencie, gdy obliczana przez PCU średnia mocy (EWMA) przekroczy próg PL1.

Podane czasy mają charakter obserwacji empirycznych dla konkretnej konfiguracji napięcia, obciążenia i chłodzenia. Ich celem jest pokazanie kierunku i skali wpływu parametru TAU, a nie wyznaczenie uniwersalnych wartości obowiązujących dla wszystkich systemów/platform.

• TAU = 56 s, PL1 = 125 W, PL2 = 181 W

Przy konfiguracji TAU = 56 s procesor utrzymuje pobór mocy około 130 W przez blisko 140 s. Wynika to z dużej bezwładności filtra EWMA, który wolno reaguje na długotrwałe przekroczenie PL1. Po osiągnięciu progu średniej mocy algorytm redukuje częstotliwości rdzeni do poziomu odpowiadającego PL1, co skutkuje umiarkowanym spadkiem taktowań P-core i E-core.

• TAU = 10 s, PL1 = 125 W, PL2 = 181 W

Skrócenie TAU do 10 s powoduje znacznie szybsze narastanie średniej mocy. W tym przypadku CPU utrzymuje poziom około 130 W jedynie przez około 20–25 s, po czym EWMA przekracza PL1 i następuje wcześniejsze przejście do limitu długoterminowego PL1.

• TAU = Auto (~8 s raportowane w Intel XTU), PL1 = 125 W, PL2 = 181 W

Dla ustawienia TAU = Auto, raportowanego przez Intel XTU jako około 8 s, czas utrzymania mocy powyżej PL1 skraca się jeszcze bardziej i wynosi w przybliżeniu kilkanaście sekund. Jest to bezpośrednia konsekwencja najszybszej odpowiedzi filtra EWMA na stałe obciążenie powyżej PL1.

 

• TAU = Auto (~8 s), PL1 = PL2 = 140 W, czy 120W, czy 90W itp.

W konfiguracji nastawionej na stabilność i lepszy stosunek wydajności do poboru mocy można np. stosować wyrównanie limitów PL1 = PL2, tutaj przykładowe podane, przy dowolnej wartości TAU lub = auto. W takim układzie EWMA nadal jest liczona, lecz nie istnieje niższy próg decyzyjny, który mógłby wymusić zejście z PL2 do PL1. W efekcie czasowe zarządzanie mocą przestaje mieć znaczenie operacyjne, a procesor utrzymuje stałe taktowania bez oscylacji, o ile pozwalają na to temperatury i możliwości zasilania.

 

ℹ️🗣️

„Na tym etapie można już spojrzeć na TAU i limity mocy jako na elementy jednego, ciągłego mechanizmu, którego znaczenie ujawnia się dopiero w kontekście konkretnych scenariuszy użycia — jeśli macie własne obserwacje lub doświadczenia z ustawieniami TAU, zachęcam do dzielenia się nimi w komentarzach.”