Documentation/thermal/intel_powerclamp.txt

   1                          =======================
   2                          INTEL POWERCLAMP DRIVER
   3                          =======================
   4 By: Arjan van de Ven <arjan@linux.intel.com>
   5     Jacob Pan <jacob.jun.pan@linux.intel.com>
   6
   7 Contents:
   8         (*) Introduction
   9             - Goals and Objectives
  10
  11         (*) Theory of Operation
  12             - Idle Injection
  13             - Calibration
  14
  15         (*) Performance Analysis
  16             - Effectiveness and Limitations
  17             - Power vs Performance
  18             - Scalability
  19             - Calibration
  20             - Comparison with Alternative Techniques
  21
  22         (*) Usage and Interfaces
  23             - Generic Thermal Layer (sysfs)
  24             - Kernel APIs (TBD)
  25
  26 ============
  27 INTRODUCTION
  28 ============
  29
  30 Consider the situation where a system’s power consumption must be
  31 reduced at runtime, due to power budget, thermal constraint, or noise
  32 level, and where active cooling is not preferred. Software managed
  33 passive power reduction must be performed to prevent the hardware
  34 actions that are designed for catastrophic scenarios.
  35
  36 Currently, P-states, T-states (clock modulation), and CPU offlining
  37 are used for CPU throttling.
  38
  39 On Intel CPUs, C-states provide effective power reduction, but so far
  40 they’re only used opportunistically, based on workload. With the
  41 development of intel_powerclamp driver, the method of synchronizing
  42 idle injection across all online CPU threads was introduced. The goal
  43 is to achieve forced and controllable C-state residency.
  44
  45 Test/Analysis has been made in the areas of power, performance,
  46 scalability, and user experience. In many cases, clear advantage is
  47 shown over taking the CPU offline or modulating the CPU clock.
  48
  49
  50 ===================
  51 THEORY OF OPERATION
  52 ===================
  53
  54 Idle Injection
  55 --------------
  56
  57 On modern Intel processors (Nehalem or later), package level C-state
  58 residency is available in MSRs, thus also available to the kernel.
  59
  60 These MSRs are:
  61       #define MSR_PKG_C2_RESIDENCY      0x60D
  62       #define MSR_PKG_C3_RESIDENCY      0x3F8
  63       #define MSR_PKG_C6_RESIDENCY      0x3F9
  64       #define MSR_PKG_C7_RESIDENCY      0x3FA
  65
  66 If the kernel can also inject idle time to the system, then a
  67 closed-loop control system can be established that manages package
  68 level C-state. The intel_powerclamp driver is conceived as such a
  69 control system, where the target set point is a user-selected idle
  70 ratio (based on power reduction), and the error is the difference
  71 between the actual package level C-state residency ratio and the target idle
  72 ratio.
  73
  74 Injection is controlled by high priority kernel threads, spawned for
  75 each online CPU.
  76
  77 These kernel threads, with SCHED_FIFO class, are created to perform
  78 clamping actions of controlled duty ratio and duration. Each per-CPU
  79 thread synchronizes its idle time and duration, based on the rounding
  80 of jiffies, so accumulated errors can be prevented to avoid a jittery
  81 effect. Threads are also bound to the CPU such that they cannot be
  82 migrated, unless the CPU is taken offline. In this case, threads
  83 belong to the offlined CPUs will be terminated immediately.
  84
  85 Running as SCHED_FIFO and relatively high priority, also allows such
  86 scheme to work for both preemptable and non-preemptable kernels.
  87 Alignment of idle time around jiffies ensures scalability for HZ
  88 values. This effect can be better visualized using a Perf timechart.
  89 The following diagram shows the behavior of kernel thread
  90 kidle_inject/cpu. During idle injection, it runs monitor/mwait idle
  91 for a given "duration", then relinquishes the CPU to other tasks,
  92 until the next time interval.
  93
  94 The NOHZ schedule tick is disabled during idle time, but interrupts
  95 are not masked. Tests show that the extra wakeups from scheduler tick
  96 have a dramatic impact on the effectiveness of the powerclamp driver
  97 on large scale systems (Westmere system with 80 processors).
  98
  99 CPU0
 100                   ____________          ____________
 101 kidle_inject/0   |   sleep    |  mwait |  sleep     |
 102         _________|            |________|            |_______
 103                                duration
 104 CPU1
 105                   ____________          ____________
 106 kidle_inject/1   |   sleep    |  mwait |  sleep     |
 107         _________|            |________|            |_______
 108                               ^
 109                               |
 110                               |
 111                               roundup(jiffies, interval)
 112
 113 Only one CPU is allowed to collect statistics and update global
 114 control parameters. This CPU is referred to as the controlling CPU in
 115 this document. The controlling CPU is elected at runtime, with a
 116 policy that favors BSP, taking into account the possibility of a CPU
 117 hot-plug.
 118
 119 In terms of dynamics of the idle control system, package level idle
 120 time is considered largely as a non-causal system where its behavior
 121 cannot be based on the past or current input. Therefore, the
 122 intel_powerclamp driver attempts to enforce the desired idle time
 123 instantly as given input (target idle ratio). After injection,
 124 powerclamp monitors the actual idle for a given time window and adjust
 125 the next injection accordingly to avoid over/under correction.
 126
 127 When used in a causal control system, such as a temperature control,
 128 it is up to the user of this driver to implement algorithms where
 129 past samples and outputs are included in the feedback. For example, a
 130 PID-based thermal controller can use the powerclamp driver to
 131 maintain a desired target temperature, based on integral and
 132 derivative gains of the past samples.
 133
 134
 135
 136 Calibration
 137 -----------
 138 During scalability testing, it is observed that synchronized actions
 139 among CPUs become challenging as the number of cores grows. This is
 140 also true for the ability of a system to enter package level C-states.
 141
 142 To make sure the intel_powerclamp driver scales well, online
 143 calibration is implemented. The goals for doing such a calibration
 144 are:
 145
 146 a) determine the effective range of idle injection ratio
 147 b) determine the amount of compensation needed at each target ratio
 148
 149 Compensation to each target ratio consists of two parts:
 150
 151         a) steady state error compensation
 152         This is to offset the error occurring when the system can
 153         enter idle without extra wakeups (such as external interrupts).
 154
 155         b) dynamic error compensation
 156         When an excessive amount of wakeups occurs during idle, an
 157         additional idle ratio can be added to quiet interrupts, by
 158         slowing down CPU activities.
 159
 160 A debugfs file is provided for the user to examine compensation
 161 progress and results, such as on a Westmere system.
 162 [jacob@nex01 ~]$ cat
 163 /sys/kernel/debug/intel_powerclamp/powerclamp_calib
 164 controlling cpu: 0
 165 pct confidence steady dynamic (compensation)
 166 0       0       0       0
 167 1       1       0       0
 168 2       1       1       0
 169 3       3       1       0
 170 4       3       1       0
 171 5       3       1       0
 172 6       3       1       0
 173 7       3       1       0
 174 8       3       1       0
 175 ...
 176 30      3       2       0
 177 31      3       2       0
 178 32      3       1       0
 179 33      3       2       0
 180 34      3       1       0
 181 35      3       2       0
 182 36      3       1       0
 183 37      3       2       0
 184 38      3       1       0
 185 39      3       2       0
 186 40      3       3       0
 187 41      3       1       0
 188 42      3       2       0
 189 43      3       1       0
 190 44      3       1       0
 191 45      3       2       0
 192 46      3       3       0
 193 47      3       0       0
 194 48      3       2       0
 195 49      3       3       0
 196
 197 Calibration occurs during runtime. No offline method is available.
 198 Steady state compensation is used only when confidence levels of all
 199 adjacent ratios have reached satisfactory level. A confidence level
 200 is accumulated based on clean data collected at runtime. Data
 201 collected during a period without extra interrupts is considered
 202 clean.
 203
 204 To compensate for excessive amounts of wakeup during idle, additional
 205 idle time is injected when such a condition is detected. Currently,
 206 we have a simple algorithm to double the injection ratio. A possible
 207 enhancement might be to throttle the offending IRQ, such as delaying
 208 EOI for level triggered interrupts. But it is a challenge to be
 209 non-intrusive to the scheduler or the IRQ core code.
 210
 211
 212 CPU Online/Offline
 213 ------------------
 214 Per-CPU kernel threads are started/stopped upon receiving
 215 notifications of CPU hotplug activities. The intel_powerclamp driver
 216 keeps track of clamping kernel threads, even after they are migrated
 217 to other CPUs, after a CPU offline event.
 218
 219
 220 =====================
 221 Performance Analysis
 222 =====================
 223 This section describes the general performance data collected on
 224 multiple systems, including Westmere (80P) and Ivy Bridge (4P, 8P).
 225
 226 Effectiveness and Limitations
 227 -----------------------------
 228 The maximum range that idle injection is allowed is capped at 50
 229 percent. As mentioned earlier, since interrupts are allowed during
 230 forced idle time, excessive interrupts could result in less
 231 effectiveness. The extreme case would be doing a ping -f to generated
 232 flooded network interrupts without much CPU acknowledgement. In this
 233 case, little can be done from the idle injection threads. In most
 234 normal cases, such as scp a large file, applications can be throttled
 235 by the powerclamp driver, since slowing down the CPU also slows down
 236 network protocol processing, which in turn reduces interrupts.
 237
 238 When control parameters change at runtime by the controlling CPU, it
 239 may take an additional period for the rest of the CPUs to catch up
 240 with the changes. During this time, idle injection is out of sync,
 241 thus not able to enter package C- states at the expected ratio. But
 242 this effect is minor, in that in most cases change to the target
 243 ratio is updated much less frequently than the idle injection
 244 frequency.
 245
 246 Scalability
 247 -----------
 248 Tests also show a minor, but measurable, difference between the 4P/8P
 249 Ivy Bridge system and the 80P Westmere server under 50% idle ratio.
 250 More compensation is needed on Westmere for the same amount of
 251 target idle ratio. The compensation also increases as the idle ratio
 252 gets larger. The above reason constitutes the need for the
 253 calibration code.
 254
 255 On the IVB 8P system, compared to an offline CPU, powerclamp can
 256 achieve up to 40% better performance per watt. (measured by a spin
 257 counter summed over per CPU counting threads spawned for all running
 258 CPUs).
 259
 260 ====================
 261 Usage and Interfaces
 262 ====================
 263 The powerclamp driver is registered to the generic thermal layer as a
 264 cooling device. Currently, it’s not bound to any thermal zones.
 265
 266 jacob@chromoly:/sys/class/thermal/cooling_device14$ grep . *
 267 cur_state:0
 268 max_state:50
 269 type:intel_powerclamp
 270
 271 Example usage:
 272 - To inject 25% idle time
 273 $ sudo sh -c "echo 25 > /sys/class/thermal/cooling_device80/cur_state
 274 "
 275
 276 If the system is not busy and has more than 25% idle time already,
 277 then the powerclamp driver will not start idle injection. Using Top
 278 will not show idle injection kernel threads.
 279
 280 If the system is busy (spin test below) and has less than 25% natural
 281 idle time, powerclamp kernel threads will do idle injection, which
 282 appear running to the scheduler. But the overall system idle is still
 283 reflected. In this example, 24.1% idle is shown. This helps the
 284 system admin or user determine the cause of slowdown, when a
 285 powerclamp driver is in action.
 286
 287
 288 Tasks: 197 total,   1 running, 196 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
 289 Cpu(s): 71.2%us,  4.7%sy,  0.0%ni, 24.1%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
 290 Mem:   3943228k total,  1689632k used,  2253596k free,    74960k buffers
 291 Swap:  4087804k total,        0k used,  4087804k free,   945336k cached
 292
 293   PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
 294  3352 jacob     20   0  262m  644  428 S  286  0.0   0:17.16 spin
 295  3341 root     -51   0     0    0    0 D   25  0.0   0:01.62 kidle_inject/0
 296  3344 root     -51   0     0    0    0 D   25  0.0   0:01.60 kidle_inject/3
 297  3342 root     -51   0     0    0    0 D   25  0.0   0:01.61 kidle_inject/1
 298  3343 root     -51   0     0    0    0 D   25  0.0   0:01.60 kidle_inject/2
 299  2935 jacob     20   0  696m 125m  35m S    5  3.3   0:31.11 firefox
 300  1546 root      20   0  158m  20m 6640 S    3  0.5   0:26.97 Xorg
 301  2100 jacob     20   0 1223m  88m  30m S    3  2.3   0:23.68 compiz
 302
 303 Tests have shown that by using the powerclamp driver as a cooling
 304 device, a PID based userspace thermal controller can manage to
 305 control CPU temperature effectively, when no other thermal influence
 306 is added. For example, a UltraBook user can compile the kernel under
 307 certain temperature (below most active trip points).