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对于高性能通用处理器而言,低功耗研究主要解决处理器局部过热和功率过高的问题。局部过热(Hotspot)会导致芯片不能正常工作,功率过高则使得散热设备日趋昂贵,节省散热设备成本和能量损耗可以提高产品的竞争力。对于移动计算(嵌入式处理器)来说,最重要的是提高能量的效率,即计算相同的问题,使用更少的能量(一方面降低功率,一方面减少计算时间),其主要目的在于延长电池的寿命,提高产品竞争力。

1.制程提升

解决CPU的高功耗,制程的提升是最直接的改善方法。

一条粗的电阻丝比一条细的电阻丝的功耗更大。在CPU中使用了电路与各个细小元件的连接,虽然这些电路极其细微,但如果全部连接起来的话,CPU这类超大规模集成电路的线路长度将达到可观的数量级,其功耗会在这些线路中被转换成热量。制程的提升就是把这些线路变得更细,功耗可因此而大幅下降,用65nm工艺制造的奔腾CPU比90nm工艺制造的同样CPU功耗下降30W就是最好的例证。

2.降低电压

高电压是造成功耗提升的另一个重要因素,电压与功耗总是成正比关系。

在CPU中,最大功耗可由核心电压×最大电流简单计算而估得。通常CPU内部的电流都较大,而且是不易减小的,因此,虽然供给CPU的电压并不高,但与大电流相乘后,带来的功耗也是不容忽视的。所以,降低电压,即使降低的幅度不太大,所带来的功耗下降也将相当明显。但是如果电压降得过低,CPU内部的CMOS管就会变得不稳定,工作可靠性也随之大大降低。

3.减少晶体管数量

微处理器领域总是使用晶体管的数量来衡量集成技术的高低。在Prescott核心的奔腾4芯片上,晶体管数量已经达到了1.69亿的水平,比前辈Northwood核心增加了2倍以上,因此虽然工艺更先进,但功耗反而继续提升。随着多核和大缓存技术的流行,晶体管的数量也成几何速度直线增长,数以亿计的晶体管本身就是消耗能源的大户。

在相同制程下,越少的晶体管数量可以拥有越低的功耗,因此,通过优化设计,减少晶体管数量是行之有效的降低功耗手段之一。

4.降低频率

实际上,过于注重频率的提升,也是导致CPU功耗日益加大的重要因素。

之前,人们一直认为频率是衡量CPU性能的最重要标志,频率并不等于性能的说法直到近几年才被意识到。

提高频率有很多方法,如采用全新的设计、提升电压、制程提升等,但更为简单直接的却是采用超长流水线设计。在此设计中,CPU的流水线被划分得相当细密,频率提升的空间也相应增大,这就如同更细密的生产流水线拥有更高的效率一样。但是问题在于,流水线过多,其延时和错误率也会增加,最终导致CPU效率直线下降,性能反而不佳。

降低流水线等级在近几年中得到了大量的应用,如Intel启用了短流水线设计的酷睿2(Core 2)。

除此之外,降低功耗的技术还有以下几种:

高级分支预测(Advanced Branch Prediction):采用多分支预测机制,大幅度提高预测的准确度,缩短任务执行时间,进而降低功耗。

宏指令融合(Macro-Op Fusion):将两个宏指令归并为一个,实现“两个操作一次执行”,从而加快执行速度,降低功耗。

功耗优化总线(Power Optimized Bus):根据需要打开或关闭处理器总线,从而降低非使用状态部分总线的能耗。

专属堆栈管理器(Dedicated Stack Manager):通过设置硬件堆栈管理器,可以明显减少堆栈管理的微操作数,达到降低功耗的目的。