新しいプロセッサであれば、 C-ステート と呼ばれる 省電力モードに対応しています。これは、使用されていない CPU 内 コンポーネントの電源を落とすことで省電力を実現するものです。 C-ステートは その昔、ラップトップ機のみで利用できる機能でしたが、サーバ上でも使用できる ようになっています (たとえば Intel* プロセッサでは、 Nehalem と呼ばれる世代のプロセッサから利用できる ようになっています) 。

プロセッサが C0 ステートで動作している場合、これは 何らかの命令を実行していることを示しています。その他の C-ステートの場合は 特に実行すべき命令が与えられていないことを示しています。また、 C に続く番号 がより高いほど、より深い待機状態にあることを示し、省電力のためにより多くの コンポーネントが待機状態に置かれます。深い待機状態ほどより省電力になります が、待機状態が深ければ深いほど復元時の遅延が増大 (つまり C0 ステートに戻るまでの時間が長く) なります。

ステートによっては、さらに細かい省電力レベルを提供する目的で、サブモードを 提供している場合があります。どの C-ステートやサブモードに対応しているかは プロセッサによって異なりますが、 C1 については常に 対応しています。

表11.1「C-ステート」 では、一般的に使用されている C-ステートについて説明を示しています。

プロセッサが動作状態にある (C0 ステート) 場合、 CPU に対して性能設定 (P-ステート) を行なうことができます。 C-ステートが 待機状態を設定するのに対して、 P-ステート は CPU の 動作周波数と電圧に関する性能設定を行ないます。

P に続く数値が大きければ大きいほど、より低い周波数と低い電圧でプロセッサが 動作することになります。また、 P に続く数値はプロセッサ固有のもので、 どれだけの周波数と電圧になるのかは、プロセッサによって様々です。ただし P0 は常に最高の性能を提供する状態を指します。また、 P-ステートの数値が大きければ大きいほどプロセッサの速度が低くなり、それと ともに電力消費も小さくなります。たとえば P3-ステートにあるプロセッサは、 P1-ステートにあるプロセッサに比べて動作が遅く、電力消費も小さな状態です。 また、何らかの P-ステートで動作するには、プロセッサが動作中である C0-ステートでなければなりません。なお、 CPU の P-ステートは Advanced Configuration and Power Interface (ACPI) 仕様 (http://www.acpi.info/spec.htm) で規定されています。

C-ステートと P-ステートはそれぞれ独立した仕組みです。

T-ステートとは、プロセッサの温度上昇を防ぐためにその動作周波数を遅くする 状態を指す言葉です。これは固定の割合で CPU の動作を強制的に減速させる ことで実現します。減速設定は T1 (CPU に対して強制的な 減速を行なわない状態) から Tn までの範囲が存在していて、それぞれ n の数値が 大きければ大きいほど、減速する割合が大きくなります。

なお、減速設定では電圧の調整を行なうことはなく、 CPU を一定時間だけ待機させる 仕組みであるため、処理を完了するまでの時間が長くなるほか、省電力という 意味では逆効果になることに注意してください。

また、 T-ステートは主に温度上昇を防ぐ効果を期待して利用するものです。 T-ステートは C-ステートの移行 (より高い C-ステートへの移行) を阻害する場合が あるため、 C-ステートに対応した CPU の場合は、かえって消費電力を増やして しまう場合があります。

ある時期から、 CPU での電源消費と性能のチューニングは、もはや周波数制御 だけの話ではなくなってしまいました。新しいプロセッサの場合、これに加えて 性能と省電力の両方についてバランスを保つために、深いスリープ状態と従来の 周波数制御が使用され、場合によっては周波数を上げる場合もあるように なりました。最新の AMD* および Intel* プロセッサでは、ターボ機能 (Turbo CORE* や Turbo Boost* と呼ばれています) が提供され、特定の CPU コアの周波数を動的に増加させる一方、その他のコアをより深いスリープ状態に 移行させるようになっています。これにより、有効なスレッドに対する性能を 上げることができる一方、熱設計電力 (Thermal Design Power (TDP)) を維持 することができるようになっています。

しかしながら、どの CPU コアがターボ機能を利用して周波数を上げるのかに ついては、アーキテクチャに大きく依存します。このような機能を有効に活用する ための方法については、 11.3.1項 「cpupower ツールの使用」 をお読みください。

あらかじめ用意された CPU 電源制御の方式の 1 つとして、カーネル内蔵の 調整器 (ガバナーとも呼びます) を利用することができます。 CPUfreq の 調整器は、周波数の変更と省電力の調整を行なう際に P-ステートを利用 します。動的な調整器は、 CPU に対して必要とされる性能を満たす範囲で、 動的に CPU の周波数を切り替えます。これらの調整器はカスタマイズを 行なって細かい調整を行なうことができるようになっています。

CPUfreq サブシステムでは、下記の調整器を利用することができます:

お使いのシステムで CPUfreq サブシステムが有効化されていれば (openSUSE では規定で有効化されています) 、 /sys/devices/system/cpu/ ディレクトリ以下に関連するファイルやディレクトリが存在するはずです。 また、このディレクトリ内の内容を一覧表示すると、 cpu{0..x} というサブディレクトリが各 CPU に対して存在していて、それ以外にも いくつかのファイルが存在することがわかります。さらに、それぞれのプロセッサ のディレクトリ以下には cpufreq というサブディレクトリが 存在していて、それぞれ CPUfreq に関連するパラメータ設定を行なうことが できるようになっています。それらのうちのいくつかは (root で) 書き込みが 可能で、それ以外は読み込み専用になっています。お使いのシステムでオンデマンド型 調整器や保守型調整器を利用している場合は、 cpufreq 以下のディレクトリに、調整器ごとのサブディレクトリが存在しています。

	プロセッサに対する設定項目について
cpufreq ディレクトリ以下に存在する設定は プロセッサによって異なります。すべてのプロセッサに対して同じポリシーを 設定したい場合は、それぞれのプロセッサ用にパラメータを調整する必要があります。 なお、現在の設定 (/sys/devices/system/cpu*/cpufreq ディレクトリ内) を手作業で参照したり変更したりする代わりに、 cpupower パッケージ を利用することをお勧めします。

cpupower パッケージをインストール すると、 cpupower で始まるサブコマンドを利用できるように なります。詳しくは cpupower --help で表示される ヘルプ、もしくは一般的なマニュアルページ man cpupower か、各サブコマンドのマニュアルページ man cpupower-サブコマンド をお読みください。

cpufreq-info や cpufreq-set として使用していたコマンドは、それぞれ frequency-info と frequency-set のサブコマンドに置き換えることができます。 ただし、出力内容が拡張されているほか、文法や動作について若干の差異がある ことに注意してください:

analyzing CPU 0:
  driver: acpi-cpufreq
  CPUs which run at the same hardware frequency: 0 1 2 3
  CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
  maximum transition latency: 10.0 us.
  hardware limits: 2.00 GHz - 2.83 GHz
  available frequency steps: 2.83 GHz, 2.34 GHz, 2.00 GHz
  available cpufreq governors: conservative, userspace, powersave, ondemand, performance
  current policy: frequency should be within 2.00 GHz and 2.83 GHz.
                  The governor "ondemand" may decide which speed to use
                  within this range.
  current CPU frequency is 2.00 GHz (asserted by call to hardware).
  boost state support:
    Supported: yes
    Active: yes
    

CPUidle driver: acpi_idle
CPUidle governor: menu

Analyzing CPU 0:
Number of idle states: 3
Available idle states: C1 C2
C1:
Flags/Description: ACPI FFH INTEL MWAIT 0x0
Latency: 1
Usage: 3156464
Duration: 233680359
C2:
Flags/Description: ACPI FFH INTEL MWAIT 0x10
Latency: 1
Usage: 273007117
Duration: 103148860538

|Mperf               || Idle_Stats
                        
CPU | C0   | Cx   | Freq || POLL | C1   | C2   | C3
   0|  3.71| 96.29|  2833||  0.00|  0.00|  0.02| 96.32
   1| 100.0| -0.00|  2833||  0.00|  0.00|  0.00|  0.00
   2|  9.06| 90.94|  1983||  0.00|  7.69|  6.98| 76.45
   3|  7.43| 92.57|  2039||  0.00|  2.60| 12.62| 77.52
     

システムの電源消費量を監視するためにある便利なツールとして、 powerTOP というツールもあります。このソフトウエアは、不用意に高く電源を 消費している原因を探ることができる (たとえばプロセッサが一時的に休止している 状態から、動作状態に戻している主なプロセスの検出など) ほか、これらを防ぐために 適用すべきシステム設定の最適化などを行ないます。なお、 powertop パッケージは Intel および AMD の両プロセッサに対応しています。

powerTOP は様々な情報源からの情報を組み合わせて 1 画面に表示します (たとえば プログラムやデバイスドライバの分析、カーネルオプション、一時休止状態から 動作状態に戻しているプロセスなど) 。 例11.4「powerTOP の出力例」 では、利用可能な情報分類を示しています:

Cn               Avg  residency       P-states   (frequencies)
                                                 
C0 (cpu running)        (11.6%)       2.00 Ghz       0.1%
polling         0.0ms   ( 0.0%)       2.00 Ghz       0.0%
C1              4.4ms   (57.3%)       1.87 Ghz       0.0%
C2             10.0ms   (31.1%)       1064 Mhz      99.9%


Wakeups-from-idle per second : 11.2     interval: 5.0s 
no ACPI power usage estimate available 


Top causes for wakeups: 
96.2% (826.0)       <interrupt> : extra timer interrupt
 0.9% (  8.0)     <kernel core> : usb_hcd_poll_rh_status (rh_timer_func)
 0.3% (  2.4)       <interrupt> : megasas
 0.2% (  2.0)     <kernel core> : clocksource_watchdog (clocksource_watchdog)
 0.2% (  1.6)       <interrupt> : eth1-TxRx-0
 0.1% (  1.0)       <interrupt> : eth1-TxRx-4

[...]

Suggestion:  Enable SATA ALPM link power management via:
echo min_power > /sys/class/scsi_host/host0/link_power_management_policy
or press the S key.

より詳しい情報については、 http://www.lesswatts.org/projects/powertop/ にある powerTOP プロジェクトのページをお読みください。 ヒント情報や FAQ なども記載されています。

CPUfreq サブシステムでは、 P-ステート向けにいくつかのチューニングオプション が用意されています。異なる調整器への切り替えを行なうことができるほか、使用する 動作周波数の最大値と最小値を設定したり、調整器ごとの詳細パラメータを設定したり することもできます。

システム稼働中に異なる調整器に切り替えたい場合は、 cpupower frequency-set コマンドに -g オプションを付けて実行します。たとえば下記のコマンドを root で実行する と、オンデマンド型の調整器を有効にすることができます:

cpupower frequency-set -g ondemand

再起動やシャットダウンを行なった後も調整器の設定を維持したい場合は、 11.5項 「電源管理プロファイルの作成と使用」 で説明している pm-profiler をご利用ください。

調整器が使用する動作周波数の最大値と最小値を設定したい場合は、 それぞれ -d や -u オプションを指定して 実行します。

cpupower や cpufreq* で設定できる 項目以外にも、調整器のパラメータを手作業で調整することもできます。たとえば プロセッサ使用率における nice 値の無視 などがあります。

	コアに対する設定の反映について
cpu0 に対して ignore_nice_load を設定した場合は、残りの全てのコアに対しても自動的に同じ値が適用されます。 この場合、調整器のパラメータを変更したいプロセッサ全てに対して、 上記の作業を繰り返したりする必要はありません。

動的な周波数制御によって引き起こされる性能損失について、もう1 つ存在する 影響パラメータには、サンプリングレート (調整器が現在の CPU 負荷を確認し、 プロセッサの周波数を変更する間隔) があります この設定の既定値は BIOS に 依存して決まる値で、できる限り低い値を設定してください。新しいシステムの 場合は、既定で適切な値が設定されていて、手作業で調整する必要はありません。

規定では openSUSE は適切な C-ステートを使用します。最適化を行なうに あたって唯一調整すべきパラメータは、 sched_mc_power_savings のパラメータです。すべての CPU コアを最小限に使用するよう負荷を分散させる代わりに、カーネルはできるだけ 少ないコアだけを動作させて、それ以外を一時的に休止させるようにすることが できます。これにより不要なコアがより高い C-ステートに移行することになり、 結果として省電力を実現できるようになっています。ただし、実際の電力消費には 多数の要素が絡み合ってくるものであることに注意してください。これにはたとえば、 利用可能なプロセッサ数や、どの C-ステートに対応しているか (特に C3 から C6 までの、より深い休止) などが あります。

sched_mc_power_savings が 0 (既定値) に設定されている場合、特別なスケジューリングは行なわれません。 1 に設定されている場合、スケジューラはすべてのプロセッサに 対して少しずつ負荷を与えるのではなく、できる限り少ない数のプロセッサで 処理を行なおうとします。 このパラメータを変更するには、下記の手順で行ないます: