ในการเปิดตัว CPU รุ่นใหม่แต่ละครั้ง สิ่งที่ผู้ผลิตมักให้ความสำคัญในการนำเสนอก็เช่น ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความสามารถที่เพิ่มขึ้น รองรับการทำงานด้านมัลติมีเดียได้ดีกว่าที่เคย และที่สำคัญคืออัตราการใช้พลังงานที่ลดลงเมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ทำให้ชิปประมวลผลรุ่นใหม่ ๆ มักจะแรงขึ้น แต่กินไฟน้อยลง เมื่อเทียบกับชิปรุ่นเก่าในระดับเดียวกัน ในบทความนี้เราจะมาดูกันว่าเพราะเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น
สำหรับการวัดการกินไฟ การใช้พลังงานของชิปประมวลผล โดยส่วนใหญ่แล้วจะอ้างอิงจากค่า TDP จากทางผู้ผลิตเป็นหลัก สำหรับผู้ที่สงสัยว่าค่า TDP คืออะไร สามารถไปอ่านได้จากบทความนี้ครับ ก่อนอื่น เรามาดูให้เห็นภาพก่อน ว่า CPU รุ่นใหม่นี้แรงขึ้น แต่กินไฟน้อยลงอย่างไร
จากในภาพด้านบน เทียบเฉพาะเส้นสีฟ้าอ่อนของ Intel Core i9-12900HK และสีน้ำเงินเข้มกว่าของ Intel Core i9-11980HK ซึ่งทั้งสองจัดเป็นชิปในระดับใกล้เคียงกัน แต่มีการปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมการผลิตขนานใหญ่ จะเห็นว่าที่ระดับการใช้พลังงานเท่ากัน เปอร์เซ็นต์ของประสิทธิภาพของชิป Gen 12 จะสูงกว่า Gen 11 อย่างเห็นได้ชัด เช่นที่จุด 45W ตัวชิป i9-11980HK จะมีประสิทธิภาพสัมพัทธ์ที่ 100% ในขณะที่ i9-12900HK นั้นอยู่ที่ประมาณ 125% แล้ว ณ จุดที่ใช้กำลังไฟฟ้าเท่ากัน
ซึ่งการที่ประสิทธิภาพต่อการใช้พลังงานที่ดีกว่า ย่อมส่งผลกับการทำงานจริงด้วยเช่นกัน ที่เห็นได้ชัดเลยก็คือทำให้โน้ตบุ๊กรุ่นใหม่ ๆ แรงขึ้น ทำงานได้เร็วกว่ารุ่นเก่า แถมยังประหยัดพลังงานกว่าด้วย ทำให้ผู้ผลิตสามารถเลือกชิปรุ่นสูง ๆ มาใส่ได้ง่ายขึ้น ทำให้เราได้เห็นเหล่าเกมมิ่งโน้ตบุ๊กที่มีตัวเครื่องบางเบามากขึ้นในปัจจุบัน
สำหรับสาเหตุที่ชิปประมวลผลรุ่นใหม่แรงขึ้น แต่กินไฟน้อยลง มีดังนี้
การปรับเปลี่ยนสถาปัตยกรรมการผลิต CPU
ทั้งฝั่ง Intel และ AMD ที่เป็นสองผู้เล่นใหญ่ในตลาดชิปประมวลผลสำหรับคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ต่างก็มีการวิจัยและพัฒนาเพื่อปรับปรุงสถาปัตยกรรมการผลิตชิป (architecture) อยู่เสมอ และมักจะมีการนำสถาปัตยกรรมใหม่มาใช้กับผลิตภัณฑ์ของตนเองในทุก ๆ รอบ 1-2 ปี (หรืออาจนานกว่านั้นในช่วงที่ผ่านมา) ซึ่งโดยหลักแล้วทางผู้ผลิตจะอาศัยการปรับปรุงกระบวนการผลิตสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) เพื่อทำให้ทรานซิสเตอร์ภายใน CPU มีขนาดเล็กลง เมื่อมีขนาดเล็กลง ตัวแพ็คเกจของชิปก็สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้น เมื่อมีทรานซิสเตอร์ในชิปมากขึ้น ก็จะทำให้มีความสามารถในการประมวลผลเพิ่มขึ้นด้วย
ซึ่งในเชิงการตลาดที่คุ้นเคยกันมา ผู้ผลิตแต่ละรายจะมีการระบุระดับสถาปัตยกรรมเป็นตัวเลข มีหน่วยเป็นนาโนเมตร (nm) ยิ่งตัวเลขน้อย ก็จะเป็นสถาปัตยกรรมที่ใหม่กว่าขึ้นมาเรื่อย ๆ ตัวเลขที่หลายท่านอาจจะเคยเห็นผ่านตาบ่อย ๆ ก็เช่น 90nm และ 65nm ในยุค Pentium 4 กับ AMD Athlon 64 รวมถึง 22nm ในยุค Intel Core i ที่ใช้โค้ดเนม Ivy Bridge เป็นต้น ส่วนในปัจจุบันเราก็มาอยู่ในยุค 10nm 7nm และ 5nm กันแล้ว และกำลังจะก้าวไปสู่ยุค 2nm ในไม่ช้า สำหรับในอนาคต ก็จะมีการเปลี่ยนหน่วยมาเป็นระดับอังสตรอม ซึ่งเป็นหน่วยที่เล็กกว่านาโนเมตรถึง 10 เท่าตัว
แต่อย่างไรก็ตาม การระบุ nm ของผู้ผลิตแต่ละราย ชิปแต่ละรุ่นอาจมีความแตกต่างกันออกไป จากที่เมื่อก่อนมักใช้สื่อถึงขนาดทรานซิสเตอร์แต่ละโหนด แต่ในปัจจุบัน บางทีก็สื่อถึงระยะห่างระหว่างเกต (gate) และหน้าสัมผัสโลหะที่เป็นโครงสร้างภายในของทรานซิสเตอร์ จึงทำให้ในตอนนี้แทบจะไม่สามารถนำตัวเลข nm มาเทียบกันโดยตรง เพื่อวัดว่าเทคโนโลยีของใครล้ำกว่ากันได้แล้ว รวมถึงอาจต้องดูหมายเหตุ ดูข้อมูลเชิงเทคนิคประกอบว่าตัวเลข nm ในแต่ละจุดนั้นสื่อถึงอะไร
ส่วนในแง่ที่ว่าทำไมทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กลง จึงทำให้ชิปกินไฟน้อยลงตามกันมานั้น สาเหตุหลัก ๆ มีดังนี้
1. การที่ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลง ทำให้สามารถวางทรานซิสเตอร์ให้อยู่ชิดกันได้มากขึ้น ช่วยลดปริมาณกระแสไฟที่สูญเสียระหว่างการเดินทางข้ามระหว่างทรานซิสเตอร์ไปมา และเมื่อมีการสูญเสียไฟฟ้าที่น้อย ก็เท่ากับระบบไม่ต้องดึงไฟเพิ่มเพื่อมาชดเชยส่วนที่เสียไปมากเท่ากับรุ่นก่อนหน้า
2. เมื่อทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็ก ทำให้มีความจุไฟฟ้าที่ลดลงด้วย (แต่อาศัยชดเชยด้วยปริมาณทรานซิสเตอร์ที่มากขึ้นแทน) ซึ่งการที่ความจุลดลง ทำให้การประจุไฟเข้าทรานซิสเตอร์ และการคลายประจุออก จะใช้พลังงานน้อยกว่าการใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ ส่งผลให้มีการสูญเสียกำลังไฟฟ้าลงลงไปด้วย
3. ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็ก สามารถเปลี่ยนสถานะของสวิตช์เพื่อเปิดหรือปิดวงจรในตัวได้ง่ายกว่าทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ ซึ่งการเปลี่ยนสถานะได้เร็ว ทำให้ชิปประมวลผลสามารถทำงานได้เร็วกว่า งานเสร็จเร็วขึ้น ส่งผลให้มีการใช้พลังงานที่ต่ำกว่า
4. การใช้ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กที่กินไฟน้อยกว่า ช่วยให้ CPU สามารถทำงานได้ที่ไฟต่ำลงกว่ารุ่นก่อนหน้า
5. ปรับปรุงวัสดุที่ใช้ในการผลิตทรานซิสเตอร์ เช่น การเปลี่ยนมาใช้ High-K Metal Gate (HKMG) ที่มีคุณสมบัติในการป้องกันการสูญเสียของกระแสไฟฟ้าได้ ทำให้สามารถนำไฟไปใช้ได้เต็มศักยภาพกว่า จึงกินไฟน้อยลง
สรุปคือ
ทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลง กินไฟน้อยลง ใส่ใน CPU ได้มากขึ้น เลยประสิทธิภาพดีขึ้น ใช้ไฟน้อยกว่าเดิม
การปรับปรุงรูปแบบการทำงาน และชุดคำสั่ง
นอกเหนือจากด้านฮาร์ดแวร์ภายในของชิปประมวลผลที่มีการพัฒนาขึ้นแล้ว ด้านกระบวนการทำงานก็มีการปรับปรุงอยู่เสมอด้วยเช่นกัน เช่น
- ปรับเปลี่ยนการทำงานของระบบไปป์ไลน์ ให้สามารถรองรับงานพร้อมกันได้มากขึ้น กระจายงานได้เหมาะสมกับความสามารถของแต่ละคอร์ แต่ละเธรด
- ปรับปรุงวิธีการเข้าถึงข้อมูลในแคชให้เร็วขึ้น มีประสิทธิภาพสูง รวมถึงปรับปรุงการคาดเดา และวิธีการดึงข้อมูลจาก SSD มายังแคช เพื่อลดปัญหาการไม่พบข้อมูลที่ต้องการในแคช (cache miss) จนทำให้ระบบต้องไปดึงข้อมูลจาก SSD มาบ่อย ๆ ซึ่งการต้องไปดึงมาหลายครั้ง ก็เสียทั้งเวลาและพลังงานไปตามกัน
- เพิ่มชุดคำสั่งใหม่ให้รองรับกับงานเฉพาะทางได้ดีขึ้น เช่น ชุดคำสั่งที่ทำงานด้านมีเดีย ชุดคำสั่งด้านความปลอดภัย เพื่อลดโหลดการทำงานของส่วนประมวลผลหลักลง
- เพิ่มโมดูลที่ทำงานเฉพาะทางแบบเจาะจง เช่น โมดูลด้าน neural network ที่ดูแลงานด้าน AI โมดูลด้านการประมวลผลภาพถ่าย เป็นต้น
ทั้งหมดนี้มีจุดประสงค์หลักก็คือลดภาระงานของส่วนประมวลผลหลักใน CPU โดยแบ่งงานบางส่วนไปให้โมดูลที่ได้รับการออกแบบมาเฉพาะทางกว่า ทำงานได้เร็วกว่าจัดการแทน และลดเวลาในการประมวลผลโดยรวมให้สั้นลง ซึ่งการที่ชิปประมวลผลใช้เวลาในการทำงานน้อยลง ก็ช่วยให้มีการใช้พลังงานที่ลดลงด้วยเช่นกัน นั่นจึงเป็นสาเหตุว่าทำไมชิปประมวลผลรุ่นใหม่ถึงทำงานได้เร็ว ทำงานได้หลายอย่างพร้อมกัน แถมยังกินไฟน้อยกว่าด้วย
นอกจากนี้ยังมีการนำชิปแรมมาติดตั้งรวมอยู่ในแพ็คเกจเดียวกับ CPU อย่างในชิปตระกูล M ของ Apple และเมื่อประกอบกับโมดูลอื่น ๆ ที่นำมาติดตั้งด้วยกันเรียกรวมเป็น System-on-Chip (SoC) เพื่อทำให้ชิปประมวลผลสามารถเข้าถึงข้อมูลในแรมได้เร็วที่สุด ซึ่งก็เช่นเดียวกัน ยิ่งใช้เวลาในการเข้าถึงข้อมูลสั้นเท่าไหร่ ระบบก็ทำงานได้เร็วขึ้นเท่านั้น ทำให้ได้ประสิทธิภาพที่สูง และการกินไฟที่น้อยลงด้วยเช่นกัน
สรุปคือ
เพิ่มส่วนที่ทำงานเฉพาะทางเข้ามา แบ่งโหลด CPU ออกไป งานเลยเสร็จเร็วขึ้น ใช้ไฟน้อยลง
มีการปรับปรุงด้านสถานะของการ sleep และ idle ใหม่
ปกติแล้ว CPU จะไม่ได้ทำงานแบบเต็มศักยภาพ 100% ตลอดเวลา แต่จะมีการปรับระดับการทำงานให้เหมาะสมกับความจำเป็น เช่นถ้าเป็นการเปิดเครื่องให้สแตนด์บายทิ้งไว้ ชิปประมวลผลอาจจะทำงานแค่ไม่เกิน 10% ก็ได้ ขึ้นอยู่กับ process เบื้องหลังที่ทำงานอยู่ หรือถ้าเป็นชิปประมวลผลแบบใหม่ ๆ เช่นของ Intel ใน Gen 12 และ 13 ที่มีการแบ่งประเภทคอร์เป็นคอร์ประสิทธิภาพสูง (performance core หรือ P-Core) กับคอร์ที่ใช้ทำงานทั่วไป เน้นประสิทธิภาพต่อพลังงานที่สูง (efficiency core หรือ E-Core) โดยในการทำงานปกติ งานที่ไม่ต้องใช้พลังงานประมวลผลที่สูง ก็จะใช้งาน E-Core เป็นหลัก ซึ่งมีพลังที่เพียงพออยู่แล้ว ส่วนถ้าต้องใช้งานที่หนักขึ้น เช่น การเล่นเกม การเรนเดอร์ การคำนวณที่ซับซ้อน ก็จะส่งงานไปให้ P-Core ทำแทน เมื่อทำเสร็จก็ปรับสถานะไปเป็น idle ที่ช่วยลดการกินไฟโดยรวมของระบบลง แต่ยังได้ประสิทธิภาพที่เหมาะกับการทำงานขณะนั้นอยู่
นอกจากการเปิดใช้งานจำนวนและประเภทคอร์เท่าที่จำเป็นแล้ว ชิปประมวลผลยังสามารถปรับระดับความเร็วให้เหมาะสม ซึ่งก็จะสัมพันธ์กับระดับแรงดันไฟได้ด้วย ซึ่งในฝั่ง Intel จะใช้ชื่อเทคโนโลยีว่า SpeedStep ส่วนฝั่ง AMD ก็คือ Cool’n’Quiet
ส่วนเรื่อง state การทำงานที่สัมพันธ์กับการใช้พลังงานของ CPU จะใช้ชื่อเรียกว่า C-state ตามมาตรฐาน ACPI อย่างในชิป Intel Gen 13 จะรองรับระดับสถานะการทำงานของคอร์ได้ถึง 6 ระดับคือ C0, C1, C1E, C6, C8 และ C10 ที่แต่ละระดับก็จะมีรูปแบบการทำงาน และการใช้พลังงานที่ต่างกัน สรุปคร่าว ๆ ดังนี้
- C0 – ทำงานตามปกติ
- C1 – หยุดการประมวลผลของคอร์ไว้แบบอัตโนมัติ (AutoHalt)
- C1E – ตัวคอร์ยังจัดว่าอยู่ใน state C1 แต่ปรับความเร็วและลดแรงดันไฟลงระดับต่ำสุดที่ยังทำงานได้
- C6 ,C8 และ C10 – ย้ายข้อมูลจากแคชระดับ L1 และ L2 ไปไว้ใน L3 ที่ทุกคอร์แชร์ใช้งานร่วมกัน แล้วบันทึกสถานะการทำงานลงใน SRAM จากนั้นจึงลดแรงดันไฟของคอร์นั้นลง โดยอาจลดจนเหลือ 0V เพื่อปิดการทำงานของคอร์นั้นไปเลย ขึ้นอยู่กับความลึกของ state
นอกจากนี้ก็ยังมีการแบ่ง state ของแพ็คเกจต่าง ๆ ที่อยู่ในชิปประมวลผล (Package C-state) และก็ state ของระบบอีก ซึ่งเมื่อผสมผสานกัน ก็ทำให้ระบบสามารถจัดการด้านการใช้พลังงานได้ละเอียดมากขึ้น อย่างในตารางด้านล่างนี้
G-state นั้นคือสถานะของคอมพิวเตอร์ทั้งระบบ ส่วน S-state เป็นสถานะการลดการใช้พลังงานลง (sleep state) ถ้าจะให้เข้าใจง่ายก็คือระดับขั้นของการหลับก็ว่าได้ ซึ่งเมื่อจับนำมาแมตช์กับ C-state ของชิปประมวลผลก็จะทำให้ระบบมีทางเลือกในการปรับระดับการทำงาน และระดับการกินไฟได้หลากหลายกว่าที่ผ่านมา ที่อาจไม่ได้มีการแบ่งให้ละเอียดเท่าในปัจจุบัน จึงทำให้สามารถปรับระดับความเร็ว และการใช้พลังงานได้ละเอียด และตรงกับที่ต้องการมากขึ้น หากต้องการอ่านรายละเอียดเพิ่มเติม สามารถคลิกเข้าไปดาวน์โหลดไฟล์ datasheet จาก Intel ได้เลยครับ
สรุปคือ
ปรับปรุง state ของชิปและระบบให้หลากหลายขึ้น รองรับการปรับความเร็ว และลดการใช้ไฟลงได้ตามต้องการกว่าที่เคย
ระบบปฏิบัติการ และซอฟต์แวร์ที่สนับสนุน CPU ได้ดีขึ้น
นอกจากตัวชิปเองที่ได้รับการพัฒนาขึ้นมาอยู่เสมอแล้ว ฝั่งของระบบปฏิบัติการเองก็ได้รับการออกแบบให้สนับสนุนการทำงานร่วมกับเทคโนโลยีใหม่ ๆ ในชิปประมวลผลด้วยเช่นกัน ที่เห็นได้ชัดสุดก็คือช่วงยุคเปลี่ยนผ่านจากชิปที่มีคอร์เดียว แต่มี Hyper-Threading ช่วยเสริม มาเป็นยุคที่มีมากกว่า 1 คอร์แบบเต็มตัว ซึ่งตัว OS และซอฟต์แวร์ในช่วงแรกนั้นยังไม่รองรับการทำงานแบบเต็มที่ โดยเฉพาะเกม ที่บางครั้งก็ส่งงานไปหนักอยู่ที่คอร์ใดคอร์หนึ่ง ส่วนที่เหลือก็แทบไม่มีงานให้ประมวลผลเลย เราจึงเห็นว่าประสิทธิภาพของระบบมันไม่สูงขึ้นอย่างที่ควรจะเป็น
แต่หลังจากนั้น ฝั่งผู้ผลิต OS โดยเฉพาะรายใหญ่อย่าง Microsoft ก็ออกแบบ OS ให้รองรับการทำงานแบบหลายคอร์มากขึ้น โดยเฉพาะระบบการกระจายงานให้เหมาะสม แบบที่เห็นได้ชัดก็คือตั้งแต่หลังยุค Windows Vista ขึ้นมา ที่มีการปรับจูน ปรับแต่งระบบให้รับมือกับชิปที่มีหลายคอร์ได้ดีขึ้นกว่าสมัย Windows XP แต่ก็มาพร้อมการใช้ทรัพยากรที่สูงแบบก้าวกระโดดด้วยเช่นกัน ก่อนที่จะมาเริ่มลงตัวในยุค Windows 7
ซึ่งเมื่อ OS และชิปประมวลผลสามารถช่วยกันจัดการแบ่งงาน แบ่งโหลดไปยังแต่ละคอร์ได้เหมาะสม ก็ทำให้สามารถทำงานให้เสร็จได้เร็วขึ้น ใช้พลังงานโดยรวมน้อยลงด้วย ดังนั้น สำหรับการใช้งานทั่วไป ที่ไม่จำเป็นต้องใช้โปรแกรมเฉพาะทาง จึงควรเลือกใช้ OS รุ่นล่าสุด ที่มีการอัปเดตอย่างสม่ำเสมอเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้ฮาร์ดแวร์ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ และเพิ่มความปลอดภัยให้กับระบบไปพร้อมกัน
สรุปคือ
OS รุ่นใหม่ ๆ มีการออกแบบให้สนับสนุนการทำงานแบบหลายคอร์ของชิปรุ่นใหม่ได้ดีขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพสูง งานเสร็จเร็ว กินไฟโดยรวมลดลง
ซึ่งเมื่อประกอบกันทั้งหมด จึงเป็นสาเหตุให้ชิปประมวลผลรุ่นใหม่ ๆ มีประสิทธิภาพสูงขึ้น แรงกว่าเดิม พร้อมกับการใช้พลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งการใช้ไฟที่ต่ำกว่า ยังส่งผลถึงความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการทำงานที่ลดลงด้วย ในปัจจุบันเราจึงได้เห็นโน้ตบุ๊กเครื่องบางเบา มาพร้อมชิปประสิทธิภาพสูง มีจำนวนคอร์ที่เยอะขึ้น แถมยังใช้แบตเตอรี่ได้ยาวนานหลายชั่วโมงอีกด้วย ส่วนในฝั่งของเครื่องเดสก์ท็อป ที่เห็นได้ชัดก็คือเรื่องความร้อนที่ลดลง จนสามารถจับใส่เคสขนาดเล็กได้ ทั้งยังรองรับการโอเวอร์คล็อกได้ดีขึ้น และง่ายกว่าที่เคยมีมา
