微处理器设计/功耗

微处理器设计

除了性能和功率之外，另一个用于检验处理器的有用指标是功耗。功率是一种宝贵的商品，尤其是在移动或嵌入式环境中，以及在服务器机房中。在这些领域，功耗较低的处理器比功能更强大、性能更好的处理器更受欢迎。

Google 等公司使用的服务器机房的主要问题是功耗。 ^[1]

在不降低计算机系统性能的情况下，减少能源消耗是计算机科学的重大挑战之一。 ^[2]

吉恩定律

吉恩定律 (Gene's Law) 以吉恩·弗兰茨 (Gene Frantz) 命名，不如摩尔定律知名。根据吉恩定律，嵌入式数字信号处理器 (DSP) 的功耗每 18 个月减少一半。

减少功耗的两个原因

微处理器使用的功率会导致两个问题。有些技术只减少峰值功率；而其他技术只减少平均功率。

峰值功率问题

微处理器使用的所有功率最终都会转化为热能。如果允许过多的热能积聚在微处理器内部，温度会升高到足以损坏微处理器。

这个问题可以通过冷却系统解决，但这会带来另一个问题。

微处理器峰值功率越高，用于防止处理器损坏的冷却系统的预先成本就越高。

平均功率问题

微处理器平均功率越高，使用该微处理器的个人成本就越高。该个人不仅要为进入微处理器的电力付费，还要为将废热能从微处理器泵送到外部环境的冷却付费。

在某些情况下，还有其他减少功耗的原因。

笔记本电脑设计师希望笔记本电脑体积小巧，重量轻便。微处理器平均功率越高，电池在给定的运行时间内必须越重。

热量

在微处理器中，功率主要以热能的形式耗散。这种转化为热能的过程是线性和晶体管尺寸以及处理器工作频率的函数。

随着晶体管尺寸的减小，耗尽区变得更小，即使晶体管处于关闭状态，电流也会泄漏。这种泄漏会产生额外的热量，并浪费额外的功率。

热量还会导致材料膨胀，这会改变微型晶体管和线的电气特性。

许多小型微控制器不需要担心热量，因为它们产生的热量很少，但大型现代通用处理器通常需要配备散热器和风扇来帮助冷却处理器。如果处理器过热，通常可以降低时钟频率来帮助防止热量积聚。

由于功率与电压的平方成正比，因此，如果可以将电源电压降低一半，则可以将功耗降低四分之三。因此，微处理器芯片通常设计为在过去被认为不可能的低电压下运行。最初的微处理器芯片，Intel 8080 和 Motorola MC6800，设计为在 5.0 伏下运行。而现代微处理器，如 AMD Athlon K7 芯片，设计为在 1.65 伏或更低电压下运行。

需要注意的是，为了防止热量无限制地积聚，许多现代通用微处理器会动态地关闭芯片的某些部分。用于纯粹整数计算的计算机不需要浮点单元，因此会关闭整个 FPU 的电源，除了可能保留寄存器堆栈。因此，微处理器的主要部分可以在每毫秒内开启和关闭数次。虽然这确实可以降低平均功耗和热量耗散，但它对芯片的电源供应造成了极大的需求，因为芯片的电源需求可能会在微秒内跳跃 50%。