CPU功耗与电能消耗：探寻消耗的秘密

很久很久以前，在邀请下，有人问我一个问题：

CPU的功耗和什么相关？为什么一个while(1);就可占满CPU的功耗？?

这个问题看起来有点傻，实际上也并不成立。一个while(1)最多可以让CPU某个逻辑内核占有率100%，而不会让所有内核占有率100%，更不会让CPU达到TDP。

在我就要回答他，笑话他很傻很天真之前，忽然想到，那while(1)到底占了多少CPU功耗呢？这些功耗去哪里了呢？凡事就怕认真二字，如果仔细思考这个问题，就会发现和它相关的知识点很多。尤其在今天这个更加注重每瓦功耗的年代，知道原理，进而研究如何省电也就是应有之义了。

今天我们就来详细讨论一下CPU耗能的基本原理，它和什么相关等等问题。

CPU耗能的基本原理

我们将CPU简单看作场效应晶体管FET的集合。这么多个FET随着每一次的翻转都在消耗者能量。一个FET的简单示意图如下：

当输入低电平时，CL被充电，我们假设a焦耳的电能被储存在电容中。而当输入变成高电平后，这些电能则被释放，a焦耳的能量被释放了出来。因为CL很小，这个a也十分的小，几乎可以忽略不计。但如果我们以1GHz频率翻转这个FET，则能量消耗就是a × 10^9，这就不能忽略了，再加上CPU中有几十亿个FET，消耗的能量变得相当可观。

从这里我们可以看出CPU的能耗和有多少个晶体管参与工作有关，似乎还和频率是正相关的。我们下面分别来看一下。

指令功耗

如果我们将CPU简单看作单核的，是不是运行while(1);就能让该CPU达到TDP呢？实际上并不会。每条指令所要调动的晶体管数目不同，而功耗是被调动晶体管功耗的总和。

《动物庄园》有一句话很经典：“所有动物生来平等 但有些动物比其他动物更平等”。是不是指令都是平等的呢？当然不是了，有些指令更平等！每条指令需要调动的晶体管数目有很大不同，一条新指令和已经在L1指令Cache中的指令也不同。一个简化版Hesswell CPU的流水线示意图如下：

一个指令要不要调度运算器，要不要访问外存，要不要回写，在不在L1中都会带来不少的区别。综合下来，流水线中各个阶段的功耗饼图如下：

可以看到Fetch指令和decode占据了大头，而我们的执行才占据%9！！while(1);编译完的指令们，这时已经在L1中，Fetch会节省不少能耗。这也是达成同样功能，ASIC很省电，而CPU很费电的原因:

如果我们不讨论指令的差异，在平均意义上来看指令的功耗，它有个专有的名词：指令功耗（EPI，Energy per Instruction）。

EPI和CPU制程、设计息息相关。Intel的CPU在P4的EPI达到一个高峰，后来在注重每瓦功耗的情况下，逐年在下降：

耗能和频率的关系

从图1中，也许你可以直观的看出，能耗和频率是正相关的。这个理解很正确，实际上能耗和频率成线性相关。能耗关系公示是(参考资料2)：

P代表能耗。C可以简单看作一个常数，它由制程和设计等因素决定；V代表电压；而f就是频率了。理想情况，提高一倍频率，则能耗提高一倍。看起来并不十分严重，不是吗？但实际情况却没有这么简单。

我们这里要引入门延迟（Gate Delay）的概念。简单来说，组成CPU的FET充放电需要一定时间，这个时间就是门延迟。只有在充放电完成后采样才能保证信号的完整性。而这个充放电时间和电压负相关，即电压高，则充放电时间就短。也和制程正相关，即制程越小，充放电时间就短。让我们去除制程的干扰因素，当我们不断提高频率f后，过了某个节点，太快的翻转会造成门延迟跟不上，从而影响数字信号的完整性，从而造成错误。这也是为什么超频到某个阶段会不稳定，随机出错的原因。那么怎么办呢？聪明的你也许想到了超频中常用的办法：加压。对了，可以通过提高电压来减小门延迟，让系统重新稳定下来。

让我们回头再来看看公式，你会发现电压和功耗可不是线性相关，而是平方的关系！再乘以f，情况就更加糟糕了。我们提高频率，同时不得不提高电压，造成P的大幅提高！我们回忆一下初中学过的y=x^3的函数图：

Y在经过前期缓慢的提高后在a点会开始陡峭的上升。这个a就是转折点，过了它，就划不来了。功耗和频率的关系也大抵如此，我们看两个实际的例子：

i7-2600K频率和功耗的关系

Exynos频率和功耗的关系

从ARM和X86阵营来看，他们能耗曲线是不是和幂函数图很像？

其他因素

一个while(1);最多让某个内核占有率100%，其他内核呢？CPU近期的目标是提供越来越精细的电源管理策略。原来不跑的部分就让它闲着，后来改成它降频运行，接着改成不提供时钟信号，这样犹嫌不足。现在CPU的电源管理由PMC负责，它会完全切断不用部分的电路。

在操作系统层面，它会尽力将不用的内核设置成CState，从而让PMC等电源控制模块有足够的提示（hint）来关闭电源。

结论

拉拉杂杂的说了这许多，我们可以看出，while(1);并不会耗掉整个CPU的TDP。就算一个内核，它的耗能也不会达到该内核的能耗上线（现在都是Turbo Mode，内核能耗上限是个动态的结果）。它可以把该内核拉入Turbo Mode的最高频率，但因为指令都在L1中，耗能也不会很高。

至于消耗的能量都到哪里去了，根据能量守恒定律，一定是变成热量散发出去了。这个过程中也许会产生动能（风扇转动等等），光能（GPIO驱动LED发光），但在最后的最后，都会变成热能。