微處理器設計/功耗

微處理器設計

除了效能和功率之外，另一個用於檢驗處理器的有用指標是功耗。功率是一種寶貴的商品，尤其是在移動或嵌入式環境中，以及在伺服器機房中。在這些領域，功耗較低的處理器比功能更強大、效能更好的處理器更受歡迎。

Google 等公司使用的伺服器機房的主要問題是功耗。 ^[1]

在不降低計算機系統性能的情況下，減少能源消耗是計算機科學的重大挑戰之一。 ^[2]

吉恩定律

吉恩定律 (Gene's Law) 以吉恩·弗蘭茨 (Gene Frantz) 命名，不如摩爾定律知名。根據吉恩定律，嵌入式數字訊號處理器 (DSP) 的功耗每 18 個月減少一半。

減少功耗的兩個原因

微處理器使用的功率會導致兩個問題。有些技術只減少峰值功率；而其他技術只減少平均功率。

峰值功率問題

微處理器使用的所有功率最終都會轉化為熱能。如果允許過多的熱能積聚在微處理器內部，溫度會升高到足以損壞微處理器。

這個問題可以透過冷卻系統解決，但這會帶來另一個問題。

微處理器峰值功率越高，用於防止處理器損壞的冷卻系統的預先成本就越高。

平均功率問題

微處理器平均功率越高，使用該微處理器的個人成本就越高。該個人不僅要為進入微處理器的電力付費，還要為將廢熱能從微處理器泵送到外部環境的冷卻付費。

在某些情況下，還有其他減少功耗的原因。

筆記型電腦設計師希望筆記型電腦體積小巧，重量輕便。微處理器平均功率越高，電池在給定的執行時間內必須越重。

熱量

在微處理器中，功率主要以熱能的形式耗散。這種轉化為熱能的過程是線性和電晶體尺寸以及處理器工作頻率的函式。

隨著電晶體尺寸的減小，耗盡區變得更小，即使電晶體處於關閉狀態，電流也會洩漏。這種洩漏會產生額外的熱量，並浪費額外的功率。

熱量還會導致材料膨脹，這會改變微型電晶體和線的電氣特性。

許多小型微控制器不需要擔心熱量，因為它們產生的熱量很少，但大型現代通用處理器通常需要配備散熱器和風扇來幫助冷卻處理器。如果處理器過熱，通常可以降低時鐘頻率來幫助防止熱量積聚。

由於功率與電壓的平方成正比，因此，如果可以將電源電壓降低一半，則可以將功耗降低四分之三。因此，微處理器晶片通常設計為在過去被認為不可能的低電壓下執行。最初的微處理器晶片，Intel 8080 和 Motorola MC6800，設計為在 5.0 伏下執行。而現代微處理器，如 AMD Athlon K7 晶片，設計為在 1.65 伏或更低電壓下執行。

需要注意的是，為了防止熱量無限制地積聚，許多現代通用微處理器會動態地關閉晶片的某些部分。用於純粹整數計算的計算機不需要浮點單元，因此會關閉整個 FPU 的電源，除了可能保留暫存器堆疊。因此，微處理器的主要部分可以在每毫秒內開啟和關閉數次。雖然這確實可以降低平均功耗和熱量耗散，但它對晶片的電源供應造成了極大的需求，因為晶片的電源需求可能會在微秒內跳躍 50%。