微处理器能耗优化概述

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1、微处理器功耗优化概述微处理器功耗优化概述目录1引言12相关背景22.1什么是功耗22.2TDP功耗22.3功耗的来源32.4低功耗处理器发展现状43降低功耗的策略53.1系统结构级策略53.2电压调节技术53.3时钟门控技术63.4存储系统的功耗优化73.5速度功率曲线和晶体管自动缩放83.6低功耗逻辑综合策略83.7软件级的功耗降低策略93.8代码级的功耗降低策略93.9节能编译技术104总结105参考文献1112/12微处理器功耗优化概述1引言在当今微处理器的设计过程中，能耗改进设计已经成为一个越来越

2、重要的环节。计算机体系结构日益复杂化，计算处理速度日益提高。然而，每一代新的处理器对于能耗的优化却远远没能跟上其性能提高的速度。设计师们不断挑战自我，期望找到新的方法，能够在满足所有制约因素的前提下实现微处理器能耗的降低。为了提高处理器的性能，处理器的主频正在变得越来越高，整体设计也变得越来越复杂。这也使得整个计算机的功耗变得越来越大。微处理器的冷却，能量传输等所造成的能耗等问题已经成为微处理器制造工业的所需面对的重要问题。有人甚至提出，微处理机上的集成芯片上的功耗以及时钟频率应该要设置上限，以控制微处理

3、器的总功耗。要降低微处理器的功耗存在许多挑战。首先，计算机指令集以及系统体系结构的设计思路有一点是为了使所有系统能够相互兼容，所以我们无法通过这些方向来降低计算机的功耗。其次，要保持系统本身的兼容性，最终的解决途径必须要满足已有的系统需求。最后，在降低微处理器功耗的同时，我们必须保证系统的性能只有微小的下降甚至没有下降，这才能使得整个节能工程有所意义。本文从第二部分开始介绍一些与功耗相关的概念和定义，并给出了当今计算机产业里功耗技术的发展。第三部分分别介绍了系统结构级策略等九种降低处理器功耗的策略。最后一

4、部分对整篇文章的内容进行了总结，并对处理器节能技术的未来做了简单的展望。2相关背景2.1什么是功耗功耗即功率的损耗，指设备、器件等输入功率和输出功率的差额。而在电路中通常指元、器件上耗散的热能，有时也指整机或设备所需的电源功率。功耗同样是所有的电器设备都有的一个指标，指的是在单位时间中所消耗的能源的数量，单位为W。不过计算机和电灯不同，是不会始终在工作的，在不工作时则处于待机状态，同样也会消耗一定的能量（除非切断电源才会不消耗能量）。因此计算机的功耗一般会有两个，一个是工作时的功耗，另一个则是待机时的功耗

5、。2.2TDP功耗TDP指代热设计功耗(ThermalDesignPower)，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦(W)。CPU的TDP功耗并不是CPU的真正功耗。功耗是CPU的重要物理参数，根据电路的基本原理，功率(P)＝电流(A)×电压(V)12/12微处理器功耗优化概述。所以，CPU的功耗等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积。而TDP是指CPU电流热效应以及其他形式产生的热能，他们均以热的形式释放。显然CPU的TDP小于C

6、PU功耗。换句话说，CPU的功耗很大程度上是对主板提出的要求，要求主板能够提供相应的电压和电流；而TDP是对散热系统提出要求，要求散热系统能够把CPU发出的热量散掉，也就是说TDP功耗是要求CPU的散热系统必须能够驱散的最大总热量。人们希望TDP功耗越小越好，越小说明CPU发热量小，散热也越容易，对于笔记本来说，电池的使用时间也越长。Intel和AMD对TDP功耗的含义并不完全相同。AMD的CPU集成了内存控制器，相当于把北桥的部分发热量移到CPU上了，因此两个公司的TDP值不是在同一个基础上，不能单纯从

7、数字上比较。另外，TDP值也不能完全反映CPU的实际发热量，因为现在的CPU都有节能技术，实际发热量显然还要受节能技术的影响，节能技术越有效，实际发热量越小。TDP功耗可以大致反映出CPU的发热情况，实际上，制约CPU发展的一个重要问题就是散热问题。温度可以说是CPU的杀手，显然发热量低的CPU设计有望达到更高的工作频率，并且在整套计算机系统的设计、电池使用时间乃至环保方面都是大有裨益。2.3微处理器功耗的来源微处理器的功耗一般分两种：来自开关的动态功耗，和来自漏电的静态功耗。而动态功耗又可分为电容充放电

8、（包括网络电容和输入负载），还有当P/NMOS同时打开形成的瞬间短路电流。静态功耗也可分为几类：扩散区和衬底形成二极管的反偏电流(Idiode)，另外一类是关断晶体管中通过栅氧的电流（Isubthreshold)。芯片的漏电会随温度变化，所以当芯片发热时，静态功耗指数上升。另外漏电流也会随特征尺寸减少而增加。具体到各个功能模块，微处理器的功耗主要来自时钟、数据通路、内存、控制器以及用于I/O的开销这么几个部分。图2-1显示了当