Documentation/driver-api/thermal/cpu-idle-cooling.rst

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   2 Situation:
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   5 Under certain circumstances a SoC can reach a critical temperature
   6 limit and is unable to stabilize the temperature around a temperature
   7 control. When the SoC has to stabilize the temperature, the kernel can
   8 act on a cooling device to mitigate the dissipated power. When the
   9 critical temperature is reached, a decision must be taken to reduce
  10 the temperature, that, in turn impacts performance.
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  12 Another situation is when the silicon temperature continues to
  13 increase even after the dynamic leakage is reduced to its minimum by
  14 clock gating the component. This runaway phenomenon can continue due
  15 to the static leakage. The only solution is to power down the
  16 component, thus dropping the dynamic and static leakage that will
  17 allow the component to cool down.
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  19 Last but not least, the system can ask for a specific power budget but
  20 because of the OPP density, we can only choose an OPP with a power
  21 budget lower than the requested one and under-utilize the CPU, thus
  22 losing performance. In other words, one OPP under-utilizes the CPU
  23 with a power less than the requested power budget and the next OPP
  24 exceeds the power budget. An intermediate OPP could have been used if
  25 it were present.
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  27 Solutions:
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  30 If we can remove the static and the dynamic leakage for a specific
  31 duration in a controlled period, the SoC temperature will
  32 decrease. Acting on the idle state duration or the idle cycle
  33 injection period, we can mitigate the temperature by modulating the
  34 power budget.
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  36 The Operating Performance Point (OPP) density has a great influence on
  37 the control precision of cpufreq, however different vendors have a
  38 plethora of OPP density, and some have large power gap between OPPs,
  39 that will result in loss of performance during thermal control and
  40 loss of power in other scenarios.
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  42 At a specific OPP, we can assume that injecting idle cycle on all CPUs
  43 belong to the same cluster, with a duration greater than the cluster
  44 idle state target residency, we lead to dropping the static and the
  45 dynamic leakage for this period (modulo the energy needed to enter
  46 this state). So the sustainable power with idle cycles has a linear
  47 relation with the OPP’s sustainable power and can be computed with a
  48 coefficient similar to:
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  50             Power(IdleCycle) = Coef x Power(OPP)
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  52 Idle Injection:
  53 ---------------
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  55 The base concept of the idle injection is to force the CPU to go to an
  56 idle state for a specified time each control cycle, it provides
  57 another way to control CPU power and heat in addition to
  58 cpufreq. Ideally, if all CPUs belonging to the same cluster, inject
  59 their idle cycles synchronously, the cluster can reach its power down
  60 state with a minimum power consumption and reduce the static leakage
  61 to almost zero.  However, these idle cycles injection will add extra
  62 latencies as the CPUs will have to wakeup from a deep sleep state.
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  64 We use a fixed duration of idle injection that gives an acceptable
  65 performance penalty and a fixed latency. Mitigation can be increased
  66 or decreased by modulating the duty cycle of the idle injection.
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  70      ^
  71      |
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  73      |-------                         -------
  74      |_______|_______________________|_______|___________
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  76      <------>
  77        idle  <---------------------->
  78                     running
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  80       <----------------------------->
  81               duty cycle 25%
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  84 The implementation of the cooling device bases the number of states on
  85 the duty cycle percentage. When no mitigation is happening the cooling
  86 device state is zero, meaning the duty cycle is 0%.
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  88 When the mitigation begins, depending on the governor's policy, a
  89 starting state is selected. With a fixed idle duration and the duty
  90 cycle (aka the cooling device state), the running duration can be
  91 computed.
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  93 The governor will change the cooling device state thus the duty cycle
  94 and this variation will modulate the cooling effect.
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  96 ::
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  98      ^
  99      |
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 101      |-------                 -------
 102      |_______|_______________|_______|___________
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 104      <------>
 105        idle  <-------------->
 106                 running
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 108       <--------------------->
 109           duty cycle 33%
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 112      ^
 113      |
 114      |
 115      |-------         -------
 116      |_______|_______|_______|___________
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 118      <------>
 119        idle  <------>
 120               running
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 122       <------------->
 123        duty cycle 50%
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 125 The idle injection duration value must comply with the constraints:
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 127 - It is less than or equal to the latency we tolerate when the
 128   mitigation begins. It is platform dependent and will depend on the
 129   user experience, reactivity vs performance trade off we want. This
 130   value should be specified.
 131
 132 - It is greater than the idle state’s target residency we want to go
 133   for thermal mitigation, otherwise we end up consuming more energy.
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 135 Power considerations
 136 --------------------
 137
 138 When we reach the thermal trip point, we have to sustain a specified
 139 power for a specific temperature but at this time we consume:
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 141  Power = Capacitance x Voltage^2 x Frequency x Utilisation
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 143 ... which is more than the sustainable power (or there is something
 144 wrong in the system setup). The ‘Capacitance’ and ‘Utilisation’ are a
 145 fixed value, ‘Voltage’ and the ‘Frequency’ are fixed artificially
 146 because we don’t want to change the OPP. We can group the
 147 ‘Capacitance’ and the ‘Utilisation’ into a single term which is the
 148 ‘Dynamic Power Coefficient (Cdyn)’ Simplifying the above, we have:
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 150  Pdyn = Cdyn x Voltage^2 x Frequency
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 152 The power allocator governor will ask us somehow to reduce our power
 153 in order to target the sustainable power defined in the device
 154 tree. So with the idle injection mechanism, we want an average power
 155 (Ptarget) resulting in an amount of time running at full power on a
 156 specific OPP and idle another amount of time. That could be put in a
 157 equation:
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 159  P(opp)target = ((Trunning x (P(opp)running) + (Tidle x P(opp)idle)) /
 160                         (Trunning + Tidle)
 161
 162   ...
 163
 164  Tidle = Trunning x ((P(opp)running / P(opp)target) - 1)
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 166 At this point if we know the running period for the CPU, that gives us
 167 the idle injection we need. Alternatively if we have the idle
 168 injection duration, we can compute the running duration with:
 169
 170  Trunning = Tidle / ((P(opp)running / P(opp)target) - 1)
 171
 172 Practically, if the running power is less than the targeted power, we
 173 end up with a negative time value, so obviously the equation usage is
 174 bound to a power reduction, hence a higher OPP is needed to have the
 175 running power greater than the targeted power.
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 177 However, in this demonstration we ignore three aspects:
 178
 179  * The static leakage is not defined here, we can introduce it in the
 180    equation but assuming it will be zero most of the time as it is
 181    difficult to get the values from the SoC vendors
 182
 183  * The idle state wake up latency (or entry + exit latency) is not
 184    taken into account, it must be added in the equation in order to
 185    rigorously compute the idle injection
 186
 187  * The injected idle duration must be greater than the idle state
 188    target residency, otherwise we end up consuming more energy and
 189    potentially invert the mitigation effect
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 191 So the final equation is:
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 193  Trunning = (Tidle - Twakeup ) x
 194                 (((P(opp)dyn + P(opp)static ) - P(opp)target) / P(opp)target )