cpu功耗与什么有关，cpu功耗大有什么坏处

很久以前，有人邀请我并问了我以下问题：

CPU功耗跟它有什么关系？为什么while(1);完全霸占CPU功耗？

这个问题看起来有点傻，但事实并非如此。 while(1)可以使CPU的某些逻辑核心占用达到100%，但不能使所有核心都100%占用，更不能让CPU达到TDP。

在我回答他并开玩笑说他愚蠢天真的之前，我想知道：while(1)消耗了多少CPU功率？这些功率到哪里去了？如果你仔细思考这个问题，你会发现其中有很多相关的知识。特别是在当今世界，每瓦功耗被认为很重要，在了解原理后考虑节能方法是很自然的。

在这篇文章中，我们将详细讨论CPU能耗的基本原理、涉及到什么以及其他问题。

CPU能耗的基本原理：简单地将CPU视为场效应晶体管（FET）的集合。很多FET 每次翻转都会消耗能量。 FET 的简单原理图如下所示。

假设当输入较低时，CL 充电并且焦耳电能存储在电容器中。当输入为高电平时，释放电能，释放1焦耳的能量。由于CL很小，所以这个a也很小，几乎可以忽略不计。但如果这个FET在1GHz的频率下反相，功耗将是x10^9，这是不可忽视的，而且由于CPU中有数十亿个FET，功耗将是巨大的。

从这里我们可以看出，CPU的能耗与参与工作的晶体管数量有关，与频率呈正相关。下面我们分别来看看。

指令功耗如果我们简单地将CPU视为一个核心，那么我们是否可以通过执行while(1)来使CPU达到TDP呢？不多。每条指令调动的晶体管数量不同，功耗为调动的晶体管功耗之和。

《动物庄园》 有一句经典谚语：“所有动物生而平等，但有些动物比其他动物更平等。”所有的指令都是一样的吗？当然不是。有些指令更为等效。每条指令所需的晶体管数量差异很大，并且新指令与L1 指令高速缓存中已有的指令不同。以下是Hesswell CPU 流水线图的简化版本：

一条指令是否需要调度算术运算、访问外部存储器或写回，无论它是否在L1 中，都有很大的不同。管道各阶段的功耗饼图可总结如下：

可以看到取指令和解码占大多数，而执行次数只有%9！ while(1); 此时编译的指令已经在L1中，取指节省了大量的能耗。这也是为什么ASIC 可以节省电力，而CPU 却需要消耗大量电力来实现相同的功能。

如果我们从平均意义上看一条指令的功耗，而不讨论指令之间的差异，我们得到正式名称EPI（Energy perstruction）。

EPI与CPU工艺和设计密切相关。英特尔CPU 的EPI 在P4 中达到顶峰，然后随着关注每瓦功耗而逐年下降。

能耗与频率的关系从图1可以直观地看出，能耗与频率之间存在正相关关系。这个理解是正确的；事实上，能耗和频率是线性相关的。有关能源消耗的公告如下（参考文献2）。

P代表能量消耗。 C 可以简单地视为由制造工艺和设计决定的常数，V 为电压，f 为频率。理想情况下，频率加倍也会使能耗加倍。看起来不太严重，是吗？然而，真实情况并非如此简单。

这里我们引入门延迟的概念。简单来说，组成CPU的FET进行充放电需要一定的时间，这个时间就是门延迟。只有在充电和放电完成后采样才能保证信号完整性。充电和放电时间与电压负相关。即电压越高，充放电时间越短。与制造工艺也有正相关关系；制造工艺越小，充电/放电时间越短。消除过程干扰。当我们在某个节点之后继续增加频率f 时，如果翻转太快，门延迟将无法跟上，从而影响数字信号的完整性。错误。这也是超频在某些阶段变得不稳定或随机失败的原因。所以我该怎么做？如果你聪明的话，你可能已经想到了超频中常用的一种方法：加压。顺便说一下，提高电压可以减少门延迟，使系统再次稳定。

如果我们回到方程，我们可以看到电压和功耗之间的关系不是线性的，而是正功率的关系。将其乘以f 会使情况变得更糟。提高频率需要同时提高电压，导致P显着增加！我们回想一下初中学过的y=x^3的函数图。

Y在初始阶段缓慢增加后，在a点开始快速上升。这是一个岔路口，一旦过了岔路就不能再往前走了。功耗和频率之间的关系类似，但让我们看两个现实世界的例子。

i7-2600K频率与功耗关系

Exynos 频率与功耗的关系

从ARM和X86阵营的角度来看，他们的能耗曲线是否类似于幂函数图？

至于其他因素，while(1);允许特定核心最多占用100%。 CPU 的短期目标是提供日益复杂的电源管理策略。最初，不工作的部分保持闲置状态，后来被修改为工作在较低的频率，甚至修改为不提供时钟信号，但仍然不够。 CPU 电源管理现在由PMC 处理，完全关闭电路中未使用的部分。

在操作系统层面，我们尽力将未使用的内核设置为CState，以便PMC等电源控制模块有足够的提示来关闭电源。

结论说了这么多，我们可以看到while(1); 并没有消耗整个CPU TDP。即使有核心，其能耗也不会达到核心能耗限制（目前都是turbo模式，核心能耗限制是动态结果）。您可以在Turbo 模式下将内核调至最高频率，但功耗不会那么高，因为所有指令都在L1 中。

消耗的能量去了哪里？根据能量守恒定律，它必须以热量的形式耗散掉。这个过程会产生动能（如风扇旋转）和光能（GPIO 驱动LED 发光），所有这些最终都转化为热能。