Energy Performance Bias (EPB) i jego wpływ na wydajność CPU Intela pod linux

Przeglądając ostatnio log systemowy, zauważyłem, że pojawia się w nim komunikat kernel: ENERGY_PERF_BIAS: Set to 'normal', was 'performance' . Co prawda korzystam z laptopa i cokolwiek związane z energią ustawione w trybie wydajności nie zawsze zdaje się być optymalnym rozwiązaniem ale też moja maszyna zwykle jest podpięta do źródła zasilania i przydałoby się, by była ona skonfigurowana właśnie bardziej w stronę profilu wydajności niż oszczędności energii. Ten powyższy komunikat informuje nas zaś, że system zmienił ustawienia z performance (tryb wydajności) na normal (jakiś bliżej nieokreślony tryb normalny). Chodzi naturalnie o ustawienia trybu pracy procesora Intel. Postanowiłem zatem poszukać informacji na temat tego czym jest ten cały Energy Performance Bias (EPB) i jak go skonfigurować w odpowiedni sposób pod linux.

Czym jest Energy Performance Bias (EPB)

Szukając informacji na temat Energy Performance Bias, natrafiłem na dokumentację kernela, która ten cały mechanizm w dość przystępny sposób opisuje. W skrócie, EPB pozwala aplikacjom przestrzeni użytkownika (jak i samemu kernelowi) na określenie preferencji zarządzania energią procesora w kontekście jego wydajności. Innymi słowy, wydajność procesora może zostać ograniczona, co powinno przełożyć się na dłuższą pracę laptopa na baterii.

Co dokładnie oznacza ENERGY_PERF_BIAS: Set to 'normal', was 'performance'

We wcześniejszych wersjach kernela (<5.1), komunikat ENERGY_PERF_BIAS: Set to 'normal', was 'performance' był w mechanizmie logowania podpięty pod poziom WARN, przez co wywoływał spore zamieszanie, bo ten poziom zwykle jest wykorzystywana do zaznaczenia, że coś z systemem może być nie tak. Od wersji 5.1, priorytet tego komunikatu został przepisany z WARN na INFO. Niemniej jednak, w logu systemowym, ta informacja wyróżnia się dość znacznie przez co może niepokoić mniej zaawansowanych użytkowników linux'a.

Ten cały komunikat bierze się generalnie z faktu, że EPB może zostać ustawiony zarówno z przestrzeni użytkownika (userspace), jak i również przez sam kernel. To drugie rozwiązanie zdaje się być o wiele bardziej praktyczne ze względu na fakt niezachowywania wartości ustawionych przez aplikacje przestrzeni użytkownika, np. przy przechodzeniu między stanami uśpienia maszyny. Dlatego właśnie kernel stara się automatycznie dobrać odpowiednią wartość dla EPB ale nie zawsze ten zabieg jest możliwy. Chodzi o to, że by ustawić odpowiedni EPB, kernel musi pozyskać pewne informacje z firmware platformy. W sporej części przypadków, firmware maszyny zwraca 0 jako początkową/wstępną wartość, co odpowiada za performance . Niemniej jednak, wartość 0 pojawi się także w przypadku niezainicjowania EPB, bo firmware może przyjmować, że konfiguracja EPB będzie dokonywana z poziomu przestrzeni użytkownika. Takie założenie nie zawsze jest w porządku i może prowadzić do szybszego wyczerpywania się baterii laptopa. Dlatego też kernel linux'a zakłada, że jeśli firmware zwróci wartość 0 , to lepiej jest przepisać profil z 0 na 6 albo mówiąc bardziej po ludzku z performance na normal i stąd właśnie mamy taki komunikat.

Niekiedy BIOS/EFI/UEFI komputera zezwala na nieco bardziej zaawansowaną konfigurację pracy procesora. W przypadku mojego laptopa ThinkPad T430 takiej opcji standardowo nie było ale po odblokowaniu zaawansowanego menu w konfiguracji EFI/UEFI udało się uzyskać dostęp do ustawień CPU, co wygląda mniej więcej tak:

Jedyną opcją, którą można by powiązać z EPB jest Boot Performance Mode . Jak widać na fotkach wyżej, ten parametr można ustawić na Max Performance , Max Battery albo Auto . Niestety żadne z tych ustawień nie wpływa na pojawienie się (czy usunięcie) komunikatu kernel: ENERGY_PERF_BIAS: Set to 'normal', was 'performance' w logu podczas startu systemu. Z opisu tego parametru można by wnioskować, że ma on zastosowanie jedynie do momentu przekazania kontroli nad trybem pracy procesora systemowi operacyjnemu i być może wtedy wartość EPB jest ustawiana na 0 (zakładając oczywiście, że to jest ten szukany parametr).

Konfiguracja EPB w userspace

Wcześniej zostało wspomniane, że Energy Performance Bias może być także konfigurowany za pomocą aplikacji przestrzeni użytkownika (userspace). Jeśli chodzi o linux, to zostało tutaj stworzone dedykowane narzędzie x86_energy_perf_policy , które na Debianie znajduje się w pakiecie linux-cpupower . Ten cały x86_energy_perf_policy operuje jednak na rejestrach MSR (Model-Specific Register) procesora i wymagane jest by w systemie były dostępne urządzenia /dev/cpu/*/msr . Te urządzenia nie zawsze będą jednak widoczne. Nie chodzi tutaj już o sam fakt zbudowania kernela z wyłączoną opcją CONFIG_X86_MSR ale bardziej o mechanizm EFI/UEFI Secure Boot, który z kolei wymusza zastosowanie kernel lockdown, przez co zmiana rejestrów MSR jest zabroniona. W przypadku braku dostępu do MSR, x86_energy_perf_policy zwróci nam poniższy błąd:

# x86_energy_perf_policy
x86_energy_perf_policy: no /dev/cpu/0/msr, Try "# modprobe msr" : No such file or directory

Oczywiście konfiguracja EPB przy pomocy narzędzia x86_energy_perf_policy nie jest jedynym sposobem by ustawić odpowiedni profil energetyczny procesora. Możemy skorzystać z interfejsu kernela sysfs i ręcznie ustawić odpowiedni profil. Interesuje nas plik energy_perf_bias zlokalizowany w /sys/devices/system/cpu/cpu*/power/ . Dla każdego CPU będziemy mieli osobny taki plik. Trzeba jednak tutaj zaznaczyć, że czasami wartość określona w energy_perf_bias może być wspólna dla kilku fizycznych rdzeni procesora lub/i też gdy procesor wykorzystuje technologię HT. W takim przypadku, przepisanie energy_perf_bias dla jednego rdzenia będzie skutkowało ustawieniem zapisanej wartości dla pozostałych rdzeni lub ich części. Plik energy_perf_bias można zapisać liczbą od 0 do 15 . Im niższa jest ta wartość, tym mniejsza będzie energooszczędność procesora, zatem ustawiając wartość 0 wybierzemy tryb performacne . Poza numerycznym definiowaniem profilu możemy także skorzystać z jednej z następujących wartości: performance , balance-performance , normal , balance-power oraz power . Jeśli zdecydujemy się wybrać którąś z nich, to system automatycznie dobierze dla niej numerek, przykładowo:

# echo "performance" > /sys/devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias

#  cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias
0
0
0
0

# echo "power" > /sys/devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias

# cat /sys/devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias
15
15
15
15

Automatyczne ustawienie konfiguracji EPB

Zmiany, które wprowadziliśmy wyżej za sprawą pliku energy_perf_bias nie są permanentne, tj. np. po restarcie maszyny trzeba będzie jeszcze raz określić stosowne wartości. Mamy jednak do dyspozycji usługę systemd sysfsutils.service , która za nas może uzupełnić plik energy_perf_bias podczas rozruchu linux'a. Trzeba tylko edytować plik /etc/sysfs.conf i dodać do niego poniższą linijkę:

devices/system/cpu/cpu*/power/energy_perf_bias = performance

Naturalnie zamiast performance możemy określić balance-performance , normal , balance-power czy power , w zależności jaki tryb wydajności procesora nas najbardziej interesuje.