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。この設定は、使用していないコンポーネントの電源を落としておくことで、待機状態のプロセッサの消費電力を減らすための仕組みです。

プロセッサが C0 状態に設定されている場合、そのプロセッサは何らかの処理を実行していることになります。 C0 以外の状態であれば、アイドル (待機) 状態にあることになります。 C の後ろの番号が大きければ大きいほど、より CPU が深く休眠し、より多くのコンポーネントを休止させることで、電力の消費を抑えていることになります。ただし、 C の後ろの番号が大きければ大きいほど、遅延を生み出す結果になります。つまり、 CPU が C0 に戻るまでに時間が必要になります。処理内容 (スレッドが起動して CPU の使用を開始し、再度休眠状態に入るまでの時間など) やハードウエア (たとえばネットワークデバイスの割り込み状況) にも依存しますが、深い休眠状態を無効化すれば、全体の性能は高くなります。 C-ステートの設定方法について、詳しくは 12.3.2項 「cpupower によるカーネル内のアイドル状態の表示」 をお読みください。

また、ステートによってはサブモードが規定され、さらに細かい省電力レベルが用意されていることもあります。 C-ステートやサブモードの対応状況は、プロセッサによって異なります。ただし、 C1 については必ず提供されています。

表12.1「C-ステート」 には、主な C-ステートの概要を示しています。

不要な電力消費を避けるため、深い休眠状態を有効化した場合と無効化した場合で、必要な負荷に対する処理速度を確認しておくことをお勧めします。詳しくは 12.3.2項 「cpupower によるカーネル内のアイドル状態の表示」 を参照するか、もしくは cpupower-idle-set(1) のマニュアルページをお読みください。

プロセッサが動作している状態 (C0 ステート) にある場合、 CPU はいずれかの性能状態 (P-ステート) にあります。 C0 を除く C-ステートがアイドル (待機) 状態を表すのに対して、 P-ステート は CPU の動作周波数と電圧に関連する動作状態を表します。

P の後ろの数値が大きければ大きいほど、より低い動作周波数および電圧でプロセッサが動作していることになります。 P-ステートの番号体系と実装には様々なものがありますが、 P0 は (12.1.3項 「Turbo 機能」 を除く) 最高の性能状態を表す意味になっています。 P の後ろの番号が大きいほど、プロセッサの速度が落ちていて、かつ電力消費も少ないモードであることになります。たとえば P3 の状態は、 P1 の状態に比べて遅く、省電力で動作しています。また、 P-ステートは C0 ステートで動作している (つまり、全ての機能を動作させ、休眠状態に無い) 場合にのみ使用されるものでもあります。 CPU の P-ステートは ACPI 仕様でも定義されています。詳しくは https://uefi.org/sites/default/files/resources/ACPI_Spec_6_5_Aug29.pdf をお読みください。

なお、 C-ステートと P-ステートは、互いに独立して提供される仕組みです。

Turbo 機能を利用することで、動作中の CPU コアの動作速度を動的に 引き上げ ながら、動作していない CPU コアを深い休眠状態にすることができます。これにより、熱設計電力 (Thermal Design Power (TDP)) の制限を守りながら、動作中のスレッドの性能を上げることができます。

しかしながら、 CPU コアが Turbo 機能に対応できるかどうかは、アーキテクチャによって異なります。このような新しい機能の効率を調べたい場合は、 12.3項 「cpupower ツール」 を参照してください。

cpupower frequency-info のように入力して実行すると、カーネル内で使用されている cpufreq ドライバの統計情報を表示することができます。これに加えて、 BIOS 内で Turbo (ブースト) 機能が有効化されているかどうかも表示することができます。何もオプションを指定しないで実行すると、下記のような出力が現れます:

# cpupower frequency-info
analyzing CPU 0:
  driver: intel_pstate
  CPUs which run at the same hardware frequency: 0
  CPUs which need to have their frequency coordinated by software: 0
  maximum transition latency: 0.97 ms.
  hardware limits: 1.20 GHz - 3.80 GHz
  available cpufreq governors: performance, powersave
  current policy: frequency should be within 1.20 GHz and 3.80 GHz.
                  The governor "powersave" may decide which speed to use
                  within this range.
  current CPU frequency is 3.40 GHz (asserted by call to hardware).
  boost state support:
    Supported: yes
    Active: yes
    3500 MHz max turbo 4 active cores
    3600 MHz max turbo 3 active cores
    3600 MHz max turbo 2 active cores
    3800 MHz max turbo 1 active cores

全ての CPU に対する現在の値を表示するには、 cpupower -c all frequency-info コマンドを使用します。

idle-info サブコマンドは、カーネル内で使用されている cpuidle ドライバの統計情報を表示することができます。 cpuidle カーネルフレームワークを使用していれば、どのようなアーキテクチャでも動作します。

# cpupower idle-info
CPUidle driver: intel_idle
CPUidle governor: menu

Analyzing CPU 0:
Number of idle states: 6
Available idle states: POLL C1-SNB C1E-SNB C3-SNB C6-SNB C7-SNB
POLL:
Flags/Description: CPUIDLE CORE POLL IDLE
Latency: 0
Usage: 163128
Duration: 17585669
C1-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x00
Latency: 2
Usage: 16170005
Duration: 697658910
C1E-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x01
Latency: 10
Usage: 4421617
Duration: 757797385
C3-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x10
Latency: 80
Usage: 2135929
Duration: 735042875
C6-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x20
Latency: 104
Usage: 53268
Duration: 229366052
C7-SNB:
Flags/Description: MWAIT 0x30
Latency: 109
Usage: 62593595
Duration: 324631233978

プロセッサがどのアイドル状態に対応しているのかを cpupower idle-info で調べたあとは、 cpupower idle-set コマンドを使用することで、個別のステートを無効化することができます。一般的には最も深い休眠状態を無効化することになるかと思いますが、このような場合は下記のように入力して実行します:

# cpupower idle-set -d 5

レイテンシが 80 と等しいか、それより大きいものを全て無効化したい場合は、下記のように入力して実行します:

# cpupower idle-set -D 80

monitor サブコマンドを使用することで、プロセッサのトポロジ情報を表示することができるほか、特定の時間内における周波数やアイドル状態の統計を表示することができます。既定の間隔は 1 秒ですが、 -i オプションを使用することで自由に変更することができます。また、ツール内ではプロセッサのスリープ (休眠) 状態と周波数のカウンタは独立して実装されています。これらのうちのいくつかはカーネルの統計情報から、残りはハードウエアレジスタから取得しています。利用可能な監視機能は、お使いのハードウエアとシステムによって異なります。利用可能な監視機能を表示したい場合は、 cpupower monitor -l と入力して実行してください。また、各モニタに関する詳細は、 cpupower-monitor のマニュアルページをお読みください。

monitor サブコマンドでは、性能を測定するためのベンチマーク機能にも対応しています。特定の処理におけるハードウエアの統計情報を比較したい場合は、その処理のコマンドを末尾に付けて実行します。たとえば下記のようになります:

cpupower monitor db_test.sh

# cpupower monitor
|Mperf                   || Idle_Stats
 1                         2 
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

個別のモニタで出力された値を比較することで関係性や依存性を見つけることができるほか、特定の処理に対してどれだけ省電力機能が正しく働いたのかを確認することもできます。たとえば 例 12.3 では CPU 0 がほぼアイドル状態 (つまり Cx がほぼ 100%) になっていますが、それにも関わらず高い動作周波数になってしまっています。これは CPU 0 と 1 が同じ周波数しか設定できないことによるもので、これを依存性と称しています。

root で cpupower frequency-set コマンドを実行することで、現在の設定を変更することができます。ガバナーが設定する最小／最大 CPU 動作周波数のほか、新しいガバナーを作成することもできます。また -c オプションを指定することで、どのプロセッサに対する設定を変更するのかを指定することもできます。これにより、個別のプロセッサに対して調整を行うことなく、全てのプロセッサに対して一貫したポリシーを適用できるようになっています。詳細と利用可能なオプションについて、詳しくは cpupower-frequency-set のマニュアルページをお読みになるか、 cpupower frequency-set --help と入力して実行してください。

CPUfreq サブシステムでは、 P-ステート向けのチューニングオプションがいくつか提供されています。オプションにはガバナーの切り替えのほか、使用すべき最小／最大の CPU 周波数と、ガバナー別のパラメータの変更などがあります。

ガバナーを変更したい場合は、 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 root で下記のように入力して実行すると、 Performance ガバナーに切り替えることができます:

# cpupower frequency-set -g performance

ガバナーが使用すべき最小および最大の CPU 周波数を指定したい場合は、それぞれ -d や -u のオプションで設定します。