細談CPU低功耗技術原理

2020-07-16 13:16:16

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供稿：網(wǎng)友

?制程提升

　　要想解決CPU的高功耗，制程的提升是最直接的改善的方法。一條粗的電阻絲和一條細的電阻絲誰的功耗大，對于稍有電學知識的人來說是個很容易理解的問題。這也有助于我們來認識制程改進是如何達到降低降低功耗的目的。在CPU中同樣使用到了電路與各個細小的元件連接，雖然這些電路及其細微，但由于如果全部連接起來的話像CPU這樣的超大規(guī)模集成電路的線路長度將達到一個恐怖的數(shù)量級，功耗就會在這些線路中被轉(zhuǎn)換熱量。而制程的提升則把這些線路變得更細，功率也可借此而大幅下降。用65nm工藝制造的奔騰 D 850，比起90nm工藝制造的制造的同樣CPU來功耗下降30W就是最好的佐證。

?降低電壓

　　高電壓是造成功耗提升的一個重要因素，電壓與功耗總是成正比的關系。在CPU中最大功耗可由核心電壓×最大電流簡單計算而估得。通常CPU內(nèi)部的電流都是不可減小的，而且集成電路都屬于高電路設備，目前CPU中最大的電流已經(jīng)達到了60W以上。因此雖然供給CPU的電壓并不大，但與大電流相乘后，帶來的功耗也是不容忽視的。不過正因為電壓的基數(shù)小，即使降低的幅度不太大，所帶來的功耗下降仍然相當明顯。不過電壓并不是說降就能降的，一旦降得過低，內(nèi)部的CMOS管就會變得及其不穩(wěn)定，工作可靠性也隨之大大降低。這還必須進行徹頭徹尾的技術改進和材料改進才能達到。

?減少晶體管數(shù)量

　　CPU界總是使用晶體管數(shù)量來衡量，集成技術的高低，老大Intel更是這一方式的忠實擁護者，按照摩爾定律所說的18個月晶體管數(shù)量翻一番的速度進行增長。在Prescott核心的奔騰 4上，晶體管數(shù)量就達到了已經(jīng)達到了1.69億個的水平，比前輩Northwood核心增加了兩部以上，因此雖然工藝更先進，但功耗反而繼續(xù)提升。并且隨著多核心和大緩存技術的流行，晶體管的數(shù)量也直線成幾何速度增長。數(shù)以億計的晶體管本身就是個消耗能源的大戶。在相同制程下，越高的晶體管數(shù)量擁有越低的功耗已經(jīng)是一個既成的事實。通過優(yōu)化設計，減低晶體管數(shù)量是一行之有效的降低功耗手段。//本文來自武林網(wǎng)www.conghuacea.com轉(zhuǎn)載請注明

?降低頻率

　　實際上過于注重頻率的提升，也是導致CPU功耗日益加大的重要因素。在以前看來頻率是衡量CPU性能的最重要標志，關于頻率并不能和性能劃上等號的說法直到近年才被消費者所意識到。要想提高頻率有很多方法，如采用全新的設計、提升電壓、制程提升等。但來得最簡單直接的卻是采用超長流水線設計，在此設計中CPU的流水線被分化得相當詳細，頻率提升的空間也相應增大。這就如同更詳細的生產(chǎn)流水線擁有更高的效率一樣。但問題在于這樣的流水線延時和錯誤率也極其低下，導致最終CPU效率也直線下降，性能反而不佳。而且由于采用更多的晶體管增大了CPU的功耗。奔騰 4和奔騰 D就是這一設計的最顯著應用，在市場上這些CPU總是頻率最高者，功耗也同樣如此。降低流水線等級在近年來看也得到了CPU廠商的大量采用，就連Intel都啟用了短流水線設計的酷睿2 來迎合這一趨勢。

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