Небольшой обзор технологии Winbond SmartFAN

Краткое описание технологии:

Микросхема SuperIO может управлять температурным режимом нескольких объектов. Каждому объекту сопоставляется пара:

1. температурный датчик для регистрации текущей температуры объекта;
2. прибор, способный изменять степень охлаждения объекта пропорционально напряжению, подаваемому на его входы; в качестве охладителя обычно используется вентилятор :-) , но никто не мешает приспособить для этих целей, например, помпу водянки.

Далее для удобства восприятия материала будем полагать, что в качестве охладителя используется именно вентилятор.

Технология ThermalCruise не предусматривает использование какой-либо другой информации, кроме температуры объекта, для управления его температурным режимом. Поэтому, например, в случае использования вентилятора в качестве охладителя, вовсе не обязательно наличие на нем тахометра.

Число обслуживаемых объектов (число пар термодатчик-вентилятор) определяется моделью микросхемы:

• для W83697HF это число = 2
• для всех остальных (W83627THF, W83637HF/ W83647HF) = 3

В качестве объектов наблюдения может выступать все что угодно, лишь бы можно было измерить температуру этого объекта и менять степень его охлаждения. Традиционно в качестве объектов выступают процессор и компоненты материнской платы. Микросхема I/O получает данные о температуре объекта и на их основании решает, какое напряжение подать на вход охладителя.

Прежде чем продолжить повествование, необходимо сделать пару замечаний.

Замечание 1: Поскольку мы уже условились в качестве охладителя подразумевать вентилятор, то будем считать, что его обороты прямо пропорциональны напряжению на его входах. В дальнейшем, когда будет встречаться фраза "чип увеличил обороты вентилятора", то это означает: "чип повысил напряжение, в результате чего обороты вентилятора увеличились".

Замечание 2: Напряжение на вход вентилятора выдается согласно значению однобайтового регистра (на графиках обозначается как PWM Duty Register). Чем значение этого регистра больше, тем выше напряжение на вентиляторе. Соответственно: 0 означает, что вентилятор выключен, а 255 – что работает на максимальных оборотах. Будем подразумевать, что зависимость между значением регистра и напряжениями/оборотами линейная.

К сожалению, на практике на большинстве моделей материнских плат зависимость далека от линейной. Например, в материнских платах от EPoX при увеличении значения регистра от 0 до ~25 (10%) обороты вентилятора возрастают от 0 до 95%. В ASUS P4P800 Gold зависимость принимает забавный ступенчатый вид.

Необходимо также понимать, что у реальных вентиляторов существует минимальное пороговое напряжение, при котором вентилятор начинает раскручиваться. Если напряжение, соответствующее текущему значению регистра PWM Duty, меньше порогового, то вентилятор останется неподвижен.

Алгоритм управления, используемый чипом:

Чип пытается удержать температуру объекта в заданном температурном коридоре, который определяется двумя параметрами:

При этом:

1. Если температура объекта находится в пределах указанного температурного коридора, то обороты вентилятора не изменяются (всегда фиксируются на текущем значении).
2. Если температура объекта растет и пересекает верхнюю границу коридора (Target+Tolerance), то вентилятор включается (если был выключен) и постепенно (в зависимости от Step Up Time) набирает обороты со стартовых (соответствующих Start-Up Value) вплоть до максимальных. Если температура снизилась и оказалась внутри коридора, то обороты фиксируются (даже если максимальные обороты еще не набраны) (См.п.1). Теоретически, если обороты вентилятора максимальны, а температура все еще выше верхней границы, то через 3 минуты должен сработать звуковой сигнал тревоги, но на практике я с этим явлением не сталкивался.
3. Если температура упала ниже нижней границы коридора (Target—Tolerance), то обороты вентилятора постепенно (в зависимости от Step Down Time) уменьшаются до заранее заданного значения (соответствующего Stop Value). Затем, если разрешено (FanMinDuty=0), вентилятор по истечении некоторого времени (Stop Time) отключается. Если процесс понижения оборотов еще не достиг заданного минимального значения, а температура объекта поднялась и пересекла нижнюю границу коридора, то обороты вентилятора фиксируются (даже если минимальные обороты еще не достигнуты) (См.п.1)

Дополнительные пояснения по параметрам (и соответствующим одноименным регистрам), упомянутым выше в описании алгоритма:

Start-Up Value (Start-Up Duty) – характеризует напряжение, которое будет сразу же подано на вентилятор при достижении температурой верхней границы температурного коридора.

Stop Value (Stop Duty) – величина, до которой напряжение на вентиляторе будет постепенно снижено, после того, как температура опустится и пересечет нижнюю границу температурного коридора.

Step Up Time – характеризует скорость увеличения напряжения на вентиляторе Задает период, в течение которого напряжение на вентиляторе увеличится на 1/256 от максимального. Выражается в единицах. Одна единица соответствует интервалу времени в 0,1 секунды/ед. (по умолчанию =10)

Примеры:

1. 10 ед (значение этого параметра по умолчанию). Увеличение напряжения на 1/256 произойдет в течение 10 ед*0,1(сек/ед) = 1 (секунда). Увеличение оборотов с нуля до максимальных соответственно произойдет за 255*1 секунда = 255 секунд = 4 минуты 16 секунд
2. 0 ед. Увеличение оборотов до максимальных произойдет мгновенно.
3. 255 ед.-> 6502,5 секунд= 108,375 минут=1 ч 48 мин

Полное время, затраченное на увеличение напряжения с PWM до максимального, составит: Time=(256-PWM) *(0.1* StepUpTime)

Step Down Time – полностью аналогичен предыдущему параметру, только задействован при понижении оборотов; Полное время, затраченное на уменьшение напряжения с максимального до PWM, составит: Time=(256-PWM) *(0.1* StepDownTime)

Примечание: к сожалению, на практике значение StepDownTime=0 не соответствует моментальному понижению значения регистра PWM Duty – оно все равно длится в течение нескольких секунд :-( (по умолчанию =10)

Stop Time – время в течение которого чип держит вентилятор на минимальных оборотах, прежде чем отключить его (если отключение разрешено параметром FanMinDuty) (по умолчанию =60 sec)

FanMinDuty – разрешает (=0) или запрещает (=1) отключение вентилятора. (по умолчанию =0)

Для иллюстрации материала приведу несколько графиков. Ключевые моменты на них отмечены окружностями разного цвета (желтыми, фиолетовыми).

Красная линия – график зависимости температуры от времени.

Синяя линия – график зависимости подаваемого на вентилятор напряжения (PWM Duty, PWM Value) от времени. Поскольку мы уже условились считать зависимость оборотов вентилятора от напряжения линейной, то можно условно считать, что синяя линия отображает так же изменение оборотов по времени.

Названия параметров Step Up Time и Step Down Time приведены лишь для иллюстрации промежутков времени, на протяжении которых они используются. Фактически же эти параметры характеризуют степень наклона графика зависимости напряжения от времени: чем больше эти величины, тем более полого идет график.

Комментарии:

• A) изначально нагрузка на процессор минимальная, температура также минимальна; поскольку она находится ниже нижней границы температурного коридора, то вентилятор отключен;
• B) повышение нагрузки на процессор (пользователь или операционная система запустили какую-либо программу) привело к повышению его температуры;
• C) при достижении температурой верхней границы температурного коридора, чип включил вентилятор и пока температура превышала верхнюю границу, довел обороты вентилятора до максимальных;
• D) это позволило сбить температуру и удерживать ее внутри температурного коридора;
• E) после уменьшения нагрузки на процессор температура понизилась еще сильнее и пересекла нижнюю границу коридора; на это чип отреагировал постепенным уменьшением оборотов вентилятора до минимальных;
• F) некоторое время обороты вентилятора удерживаются на минимальном уровне;
• G) затем чип перестает подавать напряжение на вентилятор, тем самым отключает его.

Комментарий: На этом графике изображен случай, когда все временные параметры, влияющие на скорость изменения оборотов, равны нулю. На все ключевые моменты чип реагирует либо моментальным включением вентилятора на полную мощность, либо моментальным его отключением.

Следующий рисунок дополняет предыдущий и представляет из себя график зависимости напряжения, подаваемого на вентилятор, от температуры объекта.

Комментарий: Здесь изображен случай, когда обороты вентилятора не успели достигнуть максимальных и были зафиксированы. Причина: пересечение температурой верхней границы коридора в сторону понижения.

Методика подбора параметров.

Подозреваю, что методики, позволяющей на основе каких-то данных сразу выбрать нужные параметры, не существует. На эту тему можно диссертацию писать. Я лишь попытаюсь обратить внимание на общие моменты.

Многое зависит прежде всего от используемого железа: мощности процессора, от производительности вентилятора, способностей радиатора по отбору и рассеиванию тепла, температурного режима в корпусе (наличия дополнительных вентиляторов)

Не последнюю роль играют предпочтения пользователя (его психическое состояние и отношение к шуму) и время года (температура в помещении)

Можно выделить две основные стратегии подбора параметров для случая, когда компьютер простаивает. Назовем их стратегией пульсаций и стратегией постоянства.

#1 Стратегия ПУЛЬСАЦИЙ:

Время работы вентилятора на максимальных оборотах сменяется продолжительной паузой, когда он отключен ("фаза тишины"). Обычно несложно подобрать параметры так, что время работы будет в несколько раз меньше времени, в течение которого вентилятор остановлен.

Отношение времени работы вентилятора к времени его простоя пропорционально мощности, потребляемой процессором, и обратно пропорционально:

• разности температур (Tolerance*2);
• мощности (производительности) вентилятора на максимальных оборотах;
• скорости изменения оборотов вентилятора (StartUpValue, 1/StepUP, 1/StepDOWN);
• теплопроводным свойствам радиатора (зависит от массы, размера, материала, пр.);

Настройки:

Этот вариант вне конкуренции для случая, когда температура процессора в простое при пассивном охлаждении держится ниже Target+Tolerance: вентилятор выключен постоянно. В проводимых мною опытах система переходила в такое состояние при температуре в помещении=22 градуса. При повышении внешней температуры всего на ~3 градуса равновесие нарушалось.

Пример из практики:

Комментарий: Из графика видно, что активная фаза раз в 6-7 меньше фазы тишины. Для менее горячих процессоров это отношение будет еще больше.

Интересное наблюдение: по графику видно, что температура процессора опускается ниже нижней границы коридора аж на 2-3 градуса. Увидев это, я сначала подумал, что где-то закрался баг. Все перепроверил, но ошибок не обнаружил. Потому решил все списать:

• на инерционность термодатчика;
• на тот факт, что вентилятор, как уже упоминалось выше, не смотря на значение StepDown=0, на остановку все же затрачивал несколько десятков секунд;

Тогда возникает вопрос: почему температура на графике не превышает значение верхней границы? Ответы:

• процесс нагревания происходит гораздо медленнее процесса активного охлаждения (1 градус в минуту против 1 градуса за 10 секунд), поэтому инерционность датчика скрадывается;
• обороты вентилятора достигают максимальных значений практически мгновенно.

Конфигурация системы:

• ASUS P4P800 Gold;
• Intel Pentium4 2.6 GHz;
• кулер стандартный интеловский на 2700 оборотов в минуту; (остальное не суть важно)

Настройки:

Примечание: Желательно непосредственно перед применением этого метода повысить обороты вентилятора до максимальных или отключить вовсе (занести в регистр PWM Duty 255 или 0). Иначе в случае с вентилятором, работающем на промежуточных оборотах, "качели" (можно так назвать рассматриваемую стратегию) заработают только после выхода температуры за границы коридора. А это событие при определенных условиях может наступить нескоро.

#2 Стратегия ПОСТОЯНСТВА:

Вентилятор работает на оборотах, обеспечивающих постоянство температуры процессора в простое. Очевидно, что чем выше поддерживаемая температура, тем меньшие обороты вентилятору требуются, чтобы удержать ее от изменений, тем тише он работает.

Типичные настройки:

Ключевыми параметрами в этом случае являются: StopValue=StartUpValue.

В случае использования этой стратегии можно идти двумя путями:

1. определиться с максимальной температурой в простое и подбирать под нее обороты вентилятора;
2. выбрать обороты вентилятора, на которых шум он него минимальный, и проверить температуру процессора при этих оборотах: не выше ли она максимальной температуры?

Достоинства этого способа: вентилятор работает на оборотах меньше максимальных, поэтому шум от него тоже меньше максимально возможного. Если повезет, то на выбранных оборотах вентилятор практически не будет слышно. Недостатки: требуется попотеть с подбором значений для ключевых параметров, особенно StopValue.

Какой из методов более предпочтителен – решайте сами :-) Можно попытаться выбрать нечто среднее. Например:

Стратегия КОМБИНИРОВАННАЯ:

Является, по сути, модификацией стратегии ПУЛЬСАЦИЙ. В основе лежит тот факт, что для каждого вентилятора можно подобрать такие обороты, что его практически не будет слышно. Пусть на этих оборотах он не сможет достаточно хорошо охлаждать процессор, но он значительно продлит "фазу тишины".

Необходимо изменить следующие параметры стратегии ПУЛЬСАЦИЙ:

Списки

Список материнских плат, на которых применены и правильно распаяны указанные микросхемы (составлен на основе личного опыта):

ВНИМАНИЕ! На упомянутых в списке платах от EPoX для правильного функционирования технологии обязательно подключайте кулер процессора не к разъему, промаркированному на плате как CPUFAN/FAN1, а к SYSFAN/FAN2. Мне до сих пор не понятно, чем объяснить это странное упущение со стороны инженеров столь именитой компании :-(

Черный список. Чипы Super I/O с поддержкой SmartFan присутствуют, но должным образом не распаяны. В список также входят все материнские платы, в которых отсутствует температурный мониторинг (практически все платы от EVI, очень многие от DFI):

ВНИМАНИЕ! Первоначально в черный список я хотел занести все платы, на которых кулер процессора подключается не к FANOUT1, а к FANOUT2 (как, например, на абсолютно всех протестированных мною EPoX’ах). Но потом отказался от этой идеи, поскольку данный огрех разработчиков можно исправить, подключив вентилятор к другому (правильному) разъему. Будьте бдительны! :-)

Интересный вопрос.

Возникает закономерный вопрос: почему поддержка технологии SmartFan (Thermal Cruise) не афишируется и не популяризируется на данный момент ни производителями материнских плат, ни самой фирмой WinBond. Казалось бы, что стоит встроить такую поддержку в BIOS или выпустить официальную утилиту-конфигуратор? Ведь выгода для конечного пользователя очевидна. Соответственно в условиях жесткой конкурентной борьбы из этой технологии можно было бы извлечь пользу. В чем дело?

На мой взгляд, существует очевидный ответ на этот вопрос: рассматриваемая технология столь же ОПАСНА, как и полезна. И никто из цепочки производителей (микросхемы, БИОС, материнской платы) не хочет брать на себя потенциальной ответственности за испорченное конечным пользователем оборудование. Ведь для правильного функционирования необходимо не только наличие самой технологии – необходимо обеспечить ее полную работоспособность. А это целый комплекс условий:

1. правильно спроектированная материнская плата, с откалиброванными датчиками температуры;
2. грамотно собранный компьютер с вентиляторами, подключенными к правильным разъемам;
3. правильно подобранные/настроенные, проверенные практикой параметры, относящиеся к SmartFan; они могут отличаться в зависимости от установленного процессора, используемого кулера, корпуса, др.

Гарантированно соблюсти все эти необходимые требования могут только именитые брэнды, производящие готовые компьютеры и ноутбуки. Очевидно, что им нет никакого резона рекламировать чужие (в данном случае винбондовские) технологии.

Так и живем в неведении ...

...Точнее, я жил. Ибо когда набивал предыдущую строку, то слышал, но еще не знал о сути технологии Q-Fan от ASUS. Но об этом поподробнее ...

Несколько слов о технологии Q-Fan от ASUS

Для исследований я выбрал материнскую плату Asus P4P800 Gold. Настраивается Q-Fan в БИОСе: Power -> Hardware Monitor -> Q-Fan Control. Единственный изменяемый параметр (Fan Speed Ratio) представляет из себя дробное число от 11/16 до 15/16. Значение Disabled подразумевает, что технология отключена, но как выяснится далее, оно равнозначно 16/16. Проглядев сообщения в форуме, я уже был осведомлен, что при выборе параметров Q-Fan отличных от Disabled, в моменты малой загрузки процессора наблюдалось снижение оборотов вентилятора. Я поставил перед собой задачу убедиться, насколько все это верно, и по возможности выяснить каким образом этот эффект достигается.

Поскольку я уже знал, что установленный на борту материнки чип Winbond W83627THF поддерживает технологию Winbond SmartFAN, то сразу же сделал очевидное предположение, что здесь используется составная часть этой технологии – Thermal Cruise. Для того, чтобы окончательно доказать это предположение, требовалось всего лишь во время работы взглянуть на регистры чипа, отвечающие за управление этой технологией. Была запущена упомянутая выше программка WCruiser с параметром командной строки INFO. Мои предположения полностью подтвердились. Настройки 1-го и 3-го вентилятора стояли по умолчанию. Зато 2-й вентилятор был переведен в режим ThermalCruise со следующими параметрами:

Для режима 15/16:

Между собою настройки отличались лишь значениями регистров FAN PWM Stop Duty Cycle Register и FAN PWM Start-Up Duty Cycle Register:

Таблица 1:

* x/16 => PWM=256*x/16+1, x<16

Еще раз обращу Ваше внимание, на то, что в режим ThermalCruise переведен только вентилятор процессора. Настройки остальных вентиляторов не затронуты.

Рискну подвести итог этому небольшому исследованию.

Хваленая асусовская технология Q-Fan в том виде, в каком она реализована на P4P800 Gold, не больше чем жалкий обрезок фирменной технологии SmartFan (ThermalCruise) от Winbond. Чужая разработка максимально усечена и на нее прилеплен свой ярлык.

Подозреваю, что Q-Fan на материнских платах с чипами от ITE, поддерживающими технологию SmartGuardian, реализован подобным образом. В будущем постараюсь разобраться с этим вопросом.

Справедливости ради надо заметить, что:

1. упрощение технологии сделано с целью повышения ее надежности;
2. другие производители материнских плат не доросли и до этого :-(

Помечтаем ... ;-)

(Этот раздел был написан где-то в районе 1-го апреля, поэтому не относитесь к нему слишком серьезно :-) )

К сожалению, многие материнские платы не имеют на борту рассматриваемых в статье чипов I/O. Даже на тех из них, на которых стоят чипы, позволяющие регулировать напряжение на вентиляторах программно, зачастую эта возможность не реализована. Примером могут служить последние изделия от EPoX, Gygabyte, ECS, пр. Это обстоятельство заставляет их хозяев в какой-то мере сожалеть об их приобретении :-)

Возникает закономерный вопрос: неужели восстановить утраченную по вине производителя функциональность можно лишь поменяв материнку на более другую?! Может существуют реализации на базе рассмотренных (или подобных им) изделий Winbond в виде карт расширения???

Чип SuperIO это многофункциональное устройство. Возможность подключения к компьютеру переферии через LPT, FDC, KBC, GamePort, COM – это прежде всего его заслуга. Все давно уже свыклись с мыслью, что место микросхемы I/O --исключительно на материнской плате. Немногие застали те времена, когда эти изделия встречались исключительно на платах расширения ("мультипортовках"). Что сейчас мешает производителям, оглянувшись назад, реализовать плату расширения на базе какого-нибудь чипа SuperI/O? Если разъемы FDC, клавиатуры сейчас никому не нужны, то на дополнительные LPT, COM, Game порты наверняка существует спрос. Тем более, что последнее время функциональность данного рода микросхем расширилась за счет поддержки ими различных стандартов флэш карт, IrDA (FIR,CIR) и пр.

Согласитесь, что не лишними на подобной карте расширения смотрелись бы разъемы для подключения вентиляторов и термодатчиков! Плюсы выносных термодатчиков объяснять не надо (мобильность, простота калибровки), впрочем, как и минусы :-) Конечно, измерять температуру процессора такими термодатчиками согласится не каждый, особенно если на его материнской плате показания температуры снимаются непосредственно со встроенного в процессор диода. Но для таких осторожных всегда существует возможность софтового регулирования посредством программ наподобие SpeedFan, где можно вручную указать соответствие между датчиками и вентиляторами.

Тяжело осознавать, но скорее всего подобные "generation next" мультикарты так и остануться плодом моего воображения :-) Хотя, как знать, может найдутся умельцы, которые смогут реализовать эту идею на практике, не обязательно в виде карт расширения.

Заключение.

Надеюсь, статья даст прочевшим ее хоть какое-то представление о технологии Winbond SmartFan (Thermal Cruise), ее достоинствах и некоторых возможных трудностях и опасностях на пути ее задействования в домашнем компьютере.

Осталось еще много неразрешенных вопросов, которые можно было бы обсудить в конференции. Для начала неплохо было бы совместными усилиями:

1. Составить список материнских плат (модель+чип SuperIO), полностью поддерживающих данную технологию Winbond, либо ее аналоги от других производителей (например, ITE);
2. Пополнить черный список недоделанных материнок;
3. Обсудить методику выбора параметров;
4. Обсудить возможные баги технологии. Например: замечено, что иногда при понижении оборотов значение регистра PWM Duty вместо нуля принимало значение = 1,2,4. Баг не смертельный, но все же ...
5. Отловить серьезные баги в WCruiser :-)
6. В адрес apple_rom’а составить коллективную петицию с просьбой включить поддержку рассмотренной технологии в BiosPatcher (требуется всего лишь переслать по двум портам десяток-другой байтов) (шутка)

Планы на будущее: разобраться с технологией ITE SmartGuardian

Вадим Карпов

Я считаю, что эта работа достойна награды, а вы можете поделиться своим мнением в специально созданной ветке конференции.