Power vs Performance 트레이드오프 — DVFS·Race-to-Idle·Big.LITTLE

#한 줄 요약

$P = V^2 \cdot f \cdot C$ — voltage, frequency, capacitive load가 모두 전력에 영향을 줍니다.

#CMOS Dynamic Power 공식

$P_{\text{dynamic}} = \alpha \cdot C \cdot V^2 \cdot f$

여기서 $\alpha$는 switching activity (0~1), $C$는 capacitance, $V$는 voltage, $f$는 frequency입니다.

$P_{\text{static}} = \text{leakage} \quad (V \cdot \text{온도에 비례})$

V를 10% 줄이면 power가 19% 절약됩니다. f를 절반으로 줄이고 V를 약간 더 낮추면 power를 4배까지도 절약할 수 있습니다.

#DVFS Curve

1
Frequency (MHz):  100   400   800  1200  1600  1800
2
Voltage (V):      0.8   0.9   1.0  1.05  1.10  1.15
3
Power (W):        0.3   1.3   3.5   5.5   8.5  11.0
4

5
이상적 비례: 100 → 1800 = 18x f
6
실 power:   0.3 → 11.0 = 37x P  (V²·f 함께 ↑)

고주파로 갈수록 효율이 떨어집니다. Sweet spot은 보통 중간 영역에 있고, f·P 비율이 가장 좋아집니다.

#Race-to-Idle

Workload — 100 ms 작업.

거의 같음 — 그러나 부하 짧을수록 race-to-idle 유리 (idle power가 dynamic보다 압도적 작을 때).

ARM big.LITTLE 구조에서는 high 코어로 100 ms 처리하고 idle로 들어가는 쪽이, low 코어를 1 s 동안 계속 돌리는 쪽보다 효율적입니다.

#Linux Governor

#performance — 항상 최대 freq

1
echo performance > /sys/.../scaling_governor

real-time이나 low-latency network처럼 latency가 critical한 경우에 적합합니다. 그 대신 battery는 빠르게 소모됩니다.

#powersave — 항상 최소 freq

1
echo powersave > ...

throughput은 신경 쓰지 않고 수명을 최우선으로 하는 IoT 센서 같은 경우에 어울립니다.

#ondemand — Load 기반 (deprecated)

CPU usage가 95%를 넘으면 ramp up 합니다. 응답은 약간 느립니다.

#schedutil — 가장 흔함 (modern)

1
echo schedutil > ...

Scheduler가 task별 util을 추정해 즉시 frequency를 조정하기 때문에, ondemand보다 예측이 빠릅니다.

#conservative

ondemand보다 더 천천히 ramp up 하면서 배터리 절약을 우선시합니다.

#Embedded — Heterogeneous CPU

#big.LITTLE (ARM)

Snapdragon 845:

• Big: 4 × Cortex-A75 @ 2.8 GHz (peak)
• Little: 4 × Cortex-A55 @ 1.8 GHz (efficient)

전환 모드:

• CPU Migration — 한 core만 active
• CPU Cluster Switching — big or little cluster 통째
• Global Task Scheduling (GTS) — task가 적절한 core에 dispatch

#DynamIQ (ARM v8.2+)

big·little을 한 cluster에 묶고 공유 L3 cache를 둔다. 이로 인해 migration overhead 감소, task를 더 미세하게 core 할당 가능.

Cortex-A76 + A55가 DynamIQ cluster의 대표 구성이며, 모바일 표준으로 자리잡았습니다.

#CPU Hotplug

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# 코어 끔
2
echo 0 > /sys/devices/system/cpu/cpu3/online
3

4
# 켬
5
echo 1 > /sys/devices/system/cpu/cpu3/online

전체 코어를 power off하므로 더 큰 절약 효과가 있고, 그만큼 wakeup latency도 늘어납니다.

자동차에서는 정차 시 코어 절반을 hotplug off 하는 식으로 쓰입니다.

#Idle State (C-state)

Linux CPUIdle:

1
C0 — running
2
C1 — halt (대기)
3
C2 — deep sleep (clock off)
4
C3 — deeper (cache flush)
5
...

1
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cpuidle/state*/name
2
# WFI, MWAIT(C1), MWAIT(C2), ...

깊은 state로 갈수록 전력은 더 절약되지만 wakeup latency가 길어집니다. RTOS는 보통 깊은 state를 회피합니다.

#ESP32 Light Sleep — 임베디드 사례

1
esp_sleep_enable_timer_wakeup(1000000);   // 1 sec
2
esp_sleep_enable_ext0_wakeup(GPIO_PIN, 1);
3
esp_light_sleep_start();   // 30 µA, 1 ms wakeup

배터리 IoT 기기는 99% sleep과 1% active 패턴으로 동작합니다.

#Thermal Throttling

CPU가 85°C를 초과하면 frequency가 자동으로 내려가거나 코어가 꺼진다. 짧은 burst 후 throttle이 걸려 평균 성능이 떨어진다.

해결:

• 방열판
• 부하 분산 (다른 core, 다른 코어)
• 짧은 burst + 충분한 idle (race-to-idle 효과)

스마트폰 게이밍이나 노트북에서 흔히 나타나는 문제입니다.

#측정 — powertop

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sudo powertop

화면에는 다음과 같은 정보가 표시됩니다.

• Per-process power
• C-state residency (C2 이상 residency가 80% 이상이면 좋습니다)
• Wakeup/sec (낮을수록 좋습니다)
• Tunable 추천

#Wakeup Source 최소화

Linux:

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sudo cat /proc/interrupts
2
# IRQ 횟수 — 많은 행이 *background wake* 소스

1
# Wake-on-LAN 끔
2
ethtool -s eth0 wol d

System wake가 적을수록 깊은 sleep을 더 길게 유지할 수 있습니다.

#자동차·항공 — Power Budget

DVFS·hotplug는 제한적 — 결정성 우선. 보통 고정 frequency + core 사용량 통제.

위성과 우주선은 방열이 어렵기 때문에 fixed slow CPU를 그대로 쓰는 경우가 많습니다.

#자주 하는 실수

⚠️ 항상 max frequency

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governor=performance
2
# → 배터리 노트북 2시간, 그렇지 않으면 6시간

⚠️ ondemand·schedutil 차이 무시

ondemand는 반응이 느리고, modern Linux의 기본은 schedutil입니다.

⚠️ Wakeup source 무시

매 1 ms wakeup이 들어오면 깊은 C-state로 못 들어가고 항상 C1에 머문다. Background task의 wake 빈도를 점검해야 합니다.

⚠️ Thermal 무시한 benchmark

1
loop_benchmark();   // ← 10초 후부터 thermal throttle

충분히 cool-down한 다음 측정해야 합니다.

#정리

• Power는 $V^2 \cdot f$에 leakage가 더해진 값입니다.
• Race-to-Idle은 burst high freq로 빠르게 처리하고 깊은 sleep으로 들어가는 전략입니다.
• Linux에서는 schedutil governor와 CPUIdle C-state를 함께 씁니다.
• ARM big.LITTLE / DynamIQ는 heterogeneous 구조로 전력 효율을 끌어올립니다.
• CPU hotplug + light sleep은 IoT와 자동차에서 절전의 핵심입니다.
• 측정에는 powertop, turbostat, /sys/.../cpufreq를 사용합니다.

다음 편은 Thermal을 다룹니다.

#관련 항목

• 3-08: Peripheral Clock
• 3-10: Thermal