细谈CPU低功耗的技术原理.doc

细谈CPU低功耗的技术原理
　　要想解决CPU的高功耗，制程的提升是最直接的改善的方法。一条粗的电阻丝和一条细的电阻丝谁的功耗大，对于稍有电学知识的人来说是个很容易理解的问题。这也有助于我们来认识制程改良是如何到达降低降低功耗的目的。在CPU中同样使用到了电路与各个细小的元件连接，虽然这些电路及其细微，但由于如果全部连接起来的话像CPU这样的超大规模集成电路的线路长度将到达一个恐怖的数量级，功耗就会在这些线路中被转换热量。而制程的提升那么把这些线路变得更细，功率也可借此而大幅下降。用65nm工艺制造的奔腾D850，比起90nm工艺制造的制造的同样CPU来功耗下降30W就是最好的佐证。
　　高电压是造成功耗提升的一个重要因素，电压与功耗总是成正比的关系。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内部的电流都是不可减小的，而且集成电路都属于高电路设备，目前CPU中最大的电流已经到达了60W以上。因此虽然供应CPU的电压并不大，但与大电流相乘后，带来的功耗也是不容无视的。不过正因为电压的基数小，即使降低的幅度不太大，所带来的功耗下降仍然相当明显。不过电压并不是说降就能降的，一旦降得过低，内部的CMOS管就会变得及其不稳定，工作可靠性也随之大大降低。这还必须进行彻头彻尾的技术改良和材料改良才能到达。
　　CPU界总是使用晶体管数量来衡量，集成技术的上下，老大Intel更是这一方式的忠实拥护者，按照摩尔定律所说的18个月晶体管数量翻一番的速度进行增长。在Prescott核心的奔腾4上，晶体管数量就到达了已经到达了1.69亿个的水平，比前辈Northwood核心增加了两部以上，因此虽然工艺更先进，但功耗反而继续提升。并且随着多核心和大缓存技术的流行，晶体管的数量也直线成几何速度增长。数以亿计的晶体管本身就是个消耗能源的大户。在相同制程下，越高的晶体管数量拥有越低的功耗已经是一个既成的事实。通过优化设计，减低晶体管数量是一行之有效的降低功耗手段。//　　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。在以前看来频率是衡量CPU性能的最重要标志，关于频率并不能和性能划上等号的说法直到近年才被消费者所意识到。要想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。但来得最简单直接的却是采用超长流水线设计，在此设计中CPU的流水线被分化得相当详细，频率提升的空间也相应增大。这就如同更详细的生产流水线拥有更高的效率一样。但问题在于这样的流水线延时和错误率也极其低下，导致最终CPU效率也直线下降，性能反而不佳。而且由于采用更多的晶体管增大了CPU的功耗。奔腾4和奔腾D就是这一设计的最显著应用，在市场上这些CPU总是频率最高者，功耗也同样如此。降低流水线等级在近年来看也得到了CPU厂商的大量采用，就连Intel都启用了短流水线设计的酷睿2来迎合这一趋势。