グラフィックカードとその消費電力の秘訣
時代の変化：負荷の急増
グラフィックカードは、数年前のように信頼できる「消費電力」ではなくなっています。これは、AMDとNvidiaが効率向上に取り組んでいる方法、そしてそのために用いている様々な工夫によるものです。説明を簡潔にするため、AMDとそのPowerTuneテクノロジーを例に挙げます。NvidiaのGPU Boostも、その実装と結果がAMDのものと非常に似ているため、同じ問題に直面しています。
では、なぜAMDとNVIDIAはこれほどの手間をかけるのでしょうか？そのアイデアとは、実際の需要を動的に計測し、GPUの消費電力をリアルタイムで調整することです。こうすることで、ハードウェアは実際に必要な電力以上の電力を消費しません。まるで、エンジンのレッドラインで運転しないのと同じです。代わりに、ギアを上げてそのまま走り続けるのです。
私の例えは完璧ではないかもしれませんが、正しい方向を指し示していると言えるでしょう。AMDはPowerTuneで、互いに影響し合う多くの可動部品を備えた非常に複雑な仕組みを構築しました。NVIDIAのGPU Boostテクノロジーも同様です。では、いわゆる細部まで掘り下げていくと、実際にはどのように機能するのでしょうか？
F1のようなテレメトリー
AMDのPowerTuneは、常にリアルタイムで消費電力を推定することから始まり、温度センサーに問い合わせ、電圧レギュレータから受信したテレメトリデータを考慮します。これらの値は、事前にプログラムされた電力管理アービトレータに送信されます。
このアービトレーターは、GPU（BIOS、ドライバ）の電力、温度、電流制限を認識しています。これらの制限内ですべての電圧、クロックレート、ファン速度を制御し、グラフィックカードのパフォーマンスを最大限に高めようとします。設定値が1つでも超過した場合、アービトレーターは電圧または周波数を下げることができます。
基本的な考え方は、IR 3567Bのような適切な電圧調整回路を用いて、実際の消費電力に基づいて非常に短い時間間隔（ほぼリアルタイム）で動作パラメータを調整することです。AMDは現在、最も一般的なICとAPUで使用されている第2世代のSVI2プロトコルを採用しています。これらのプロトコルは、ノースブリッジを介したプロセッサ部分への制御機能を追加・提供します。
しかし、実際にはその間隔はどれほど短いのでしょうか？以前は、より高い電圧の要求とそれに基づくクロック周波数の調整の間に比較的長い遅延がありました。AMDの第2世代SVI2では、ドットが約2桁右に移動し、1ミリ秒ではなく10マイクロ秒で反応します。また、6.25mVステップで、前世代よりもはるかに細かい調整が可能です。
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負荷がかかった AMD Radeon R9 285 から取得した 1 ミリ秒単位の時間を見てみましょう。
スパイクを解き放て：明日がないかのようにスパイクを装填せよ
ここまで読んできた方は、この話が何を意味するのか、すでに嫌な予感がしているかもしれません。グラフィックカードの平均消費電力は、車とほとんど変わりません。もしあなたの車にトリップコンピューターにリアルタイムメーターが内蔵されていて、運転中にそれを見下ろしたことがあるなら、私の言っていることがお分かりいただけるでしょう。ピーク値は非常に大きくなることもありますが、だからといってトリップコンピューターの値が間違っているわけではありません。最近のトリップコンピューターの推定値は非常に正確で、実際に大きなピーク値も存在します。
HIS R9 290X アイスQ
急激な電圧変化によって生じる負荷ピークは、高性能グラフィックカードの電源回路に新たな課題をもたらします。これは電源ユニットの設計にも大きな影響を与えます。
簡単な紹介文から既に、AMDとNvidiaの両社が、非常に小さな許容範囲内で自社規定のTDP制限を遵守できていることがわかります。もし測定結果でグラフィックカードのTDPが制限値を大幅に上回っている場合、測定技術が不十分だったか、グラフィックカードに欠陥があるかのどちらかです。
過去にも見てきたように、ボードパートナーが実際に「欠陥」を組み込んでしまうことがあります（下の回路図をご覧ください）。ここでは、実際に遭遇する可能性が最も高いものについて取り上げます。
知恵を絞って、このような変動する消費電力を測定し、正確な結果と評価を可能にする方法を考え出しましょう。これは必要なステップです。なぜなら、新しい技術は、正確な測定に関心を持つ評価者と、データの信頼性を求める読者にとって課題となるからです。従来の方法論の多くは、スナップショットしか提供せず、それが現実からかけ離れているため、せいぜい偏った推定値、最悪の場合、完全に間違っている可能性があります。
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Igor Walllossek氏は、Tom's Hardware誌で、技術分析と詳細なレビューに重点を置いた幅広いハードウェア記事を執筆しています。GPU、CPU、ワークステーション、PCの組み立てなど、PCコンポーネントの幅広い分野を網羅しています。彼の洞察力に富んだ記事は、絶えず変化するテクノロジー業界において、読者が情報に基づいた意思決定を行うための詳細な知識を提供しています。
