CPU耗能的基本原理

我們將CPU簡單看作場效應(yīng)晶體管FET的集合。這么多個(gè)FET隨著每一次的翻轉(zhuǎn)都在消耗者能量。一個(gè)FET的簡單示意圖如下：

圖1

當(dāng)輸入低電平時(shí)，CL被充電，我們假設(shè)a焦耳的電能被儲存在電容中。而當(dāng)輸入變成高電平后，這些電能則被釋放，a焦耳的能量被釋放了出來。因?yàn)镃L很小，這個(gè)a也十分的小，幾乎可以忽略不計(jì)。但如果我們以1GHz頻率翻轉(zhuǎn)這個(gè)FET，則能量消耗就是a × 10^9，這就不能忽略了，再加上CPU中有幾十億個(gè)FET，消耗的能量變得相當(dāng)可觀。

從這里我們可以看出CPU的能耗和有多少個(gè)晶體管參與工作有關(guān)，似乎還和頻率是正相關(guān)的。我們下面分別來看一下。

指令功耗

如果我們將CPU簡單看作單核的，是不是運(yùn)行while(1);就能讓該CPU達(dá)到TDP呢？實(shí)際上并不會。每條指令所要調(diào)動(dòng)的晶體管數(shù)目不同，而功耗是被調(diào)動(dòng)晶體管功耗的總和。

《動(dòng)物莊園》有一句話很經(jīng)典：“所有動(dòng)物生來平等 但有些動(dòng)物比其他動(dòng)物更平等”。是不是指令都是平等的呢？當(dāng)然不是了，有些指令更平等！每條指令需要調(diào)動(dòng)的晶體管數(shù)目有很大不同，一條新指令和已經(jīng)在L1指令Cache中的指令也不同。一個(gè)簡化版Hesswell CPU的流水線示意圖如下：

一個(gè)指令要不要調(diào)度運(yùn)算器，要不要訪問外存，要不要回寫，在不在L1中都會帶來不少的區(qū)別。綜合下來，流水線中各個(gè)階段的功耗餅圖如下：

可以看到Fetch指令和decode占據(jù)了大頭，而我們的執(zhí)行才占據(jù)%9！！while(1);編譯完的指令們，這時(shí)已經(jīng)在L1中，F(xiàn)etch會節(jié)省不少能耗。這也是達(dá)成同樣功能，ASIC很省電，而CPU很費(fèi)電的原因:

如果我們不討論指令的差異，在平均意義上來看指令的功耗，它有個(gè)專有的名詞：指令功耗（EPI，Energy per Instruction）。

EPI和CPU制程、設(shè)計(jì)息息相關(guān)。Intel的CPU在P4的EPI達(dá)到一個(gè)高峰，后來在注重每瓦功耗的情況下，逐年在下降：

Intel CPU EPI（數(shù)據(jù)較老）

耗能和頻率的關(guān)系

從圖1中，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關(guān)的。這個(gè)理解很正確，實(shí)際上能耗和頻率成線性相關(guān)。能耗關(guān)系公示是(參考資料2)：

P代表能耗。C可以簡單看作一個(gè)常數(shù)，它由制程和設(shè)計(jì)等因素決定；V代表電壓；而f就是頻率了。理想情況，提高一倍頻率，則能耗提高一倍。看起來并不十分嚴(yán)重，不是嗎？但實(shí)際情況卻沒有這么簡單。

我們這里要引入門延遲（Gate Delay）的概念。簡單來說，組成CPU的FET充放電需要一定時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是門延遲。只有在充放電完成后采樣才能保證信號的完整性。而這個(gè)充放電時(shí)間和電壓負(fù)相關(guān)，即電壓高，則充放電時(shí)間就短。也和制程正相關(guān)，即制程越小，充放電時(shí)間就短。讓我們?nèi)コ瞥痰母蓴_因素，當(dāng)我們不斷提高頻率f后，過了某個(gè)節(jié)點(diǎn)，太快的翻轉(zhuǎn)會造成門延遲跟不上，從而影響數(shù)字信號的完整性，從而造成錯(cuò)誤。這也是為什么超頻到某個(gè)階段會不穩(wěn)定，隨機(jī)出錯(cuò)的原因。那么怎么辦呢？聰明的你也許想到了超頻中常用的辦法：加壓。對了，可以通過提高電壓來減小門延遲，讓系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來。

讓我們回頭再來看看公式，你會發(fā)現(xiàn)電壓和功耗可不是線性相關(guān)，而是平方的關(guān)系！再乘以f，情況就更加糟糕了。我們提高頻率，同時(shí)不得不提高電壓，造成P的大幅提高！我們回憶一下初中學(xué)過的y=x^3的函數(shù)圖：

Y在經(jīng)過前期緩慢的提高后在a點(diǎn)會開始陡峭的上升。這個(gè)a就是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，過了它，就劃不來了。功耗和頻率的關(guān)系也大抵如此，我們看兩個(gè)實(shí)際的例子：

i7-2600K頻率和功耗的關(guān)系

Exynos頻率和功耗的關(guān)系

從ARM和X86陣營來看，他們能耗曲線是不是和冪函數(shù)圖很像？

其他因素

一個(gè)while(1);最多讓某個(gè)內(nèi)核占有率100%，其他內(nèi)核呢？CPU近期的目標(biāo)是提供越來越精細(xì)的電源管理策略。原來不跑的部分就讓它閑著，后來改成它降頻運(yùn)行，接著改成不提供時(shí)鐘信號，這樣猶嫌不足。現(xiàn)在CPU的電源管理由PMC負(fù)責(zé)，它會完全切斷不用部分的電路。

在操作系統(tǒng)層面，它會盡力將不用的內(nèi)核設(shè)置成CState，從而讓PMC等電源控制模塊有足夠的提示（hint）來關(guān)閉電源。

結(jié)論

拉拉雜雜的說了這許多，我們可以看出，while(1);并不會耗掉整個(gè)CPU的TDP。就算一個(gè)內(nèi)核，它的耗能也不會達(dá)到該內(nèi)核的能耗上線（現(xiàn)在都是Turbo Mode，內(nèi)核能耗上限是個(gè)動(dòng)態(tài)的結(jié)果）。它可以把該內(nèi)核拉入Turbo Mode的最高頻率，但因?yàn)橹噶疃荚贚1中，耗能也不會很高。

至于消耗的能量都到哪里去了，根據(jù)能量守恒定律，一定是變成熱量散發(fā)出去了。這個(gè)過程中也許會產(chǎn)生動(dòng)能（風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)等等），光能（GPIO驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光），但在最后的最后，都會變成熱能。