1.5 集成电路中的功率与能耗趋势
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1.5.1 功率与能耗：系统观点
系统架构师关注性能、功率和能耗的三个关注事项：
1.一个处理器需要的最大功率是多少
若处理器需要的功率（电流）大于电源系统提供的功率（电流），导致电压下降，元器件可能无法运行。
2.持续功耗是多少
热设计功耗（TDP），决定冷却需求（峰值功率高之1.5倍，低于实际平均功率），冷却系统通常设计为匹配或大于TDP。（我的理解应该是thermal温控降频恢复频率的下限温度点）
现代处理器两项管理热量：
- 当温度达到节点温度上限时，电路下降时钟频率，减小功率。
- 若上面不成功，启用第二热过载启动装置，降低芯片功率。
3. 能耗与能耗效率
功率 = 能耗/时间（即：1瓦=1焦/秒）
能耗更适合度量对比处理器。
（比如运行同一任务，处理器A比B的平均功耗高20%，处理时间为70%，能耗：1.2*0.7 = 0.84）
1.5.2 微处理器内部的能耗与功率
对于CMOS芯片来说，传统的主要能耗是开关晶体管，也称 动态能耗（影响基底电流）
1.动态功耗基本公式
每个晶体管所需的能耗与该晶体管驱动的容性负载与电压平方的乘积成正比。
能耗动态 ∝ 容性负载 * 电压2
上面即一次0-1-0或1-0-1脉冲，一次开关的能耗如下：
能耗动态 ∝ 1/2 * 容性负载 * 电压2
每个晶体管的功率就是一次开关的能耗乘以开关频率
功率动态 ∝ 1/2 * 容性负载 * 电压2 * 开关频率（即：W/t）
一个固定任务，降低时钟频率可以降低功率，但不会降低能耗。
2.降功耗元素
- 降压
- 容性负载大小取决于晶体管数目和所有技术，这种技术决定了连线和晶体管的电容。
3.例题
- 可调电压的微处理器，电压下降15%可能导致频率下降15%，这对动态能耗和动态功率有什么影响？
由于电容不变，所以能耗变化就是电压平方之比：
能耗new/能耗old = (电压0.85)^2 / 电压^2 = 0.85^2 = 0.72
因此，能耗大约下降75%，对于功率需要参考频率：
功率new/功率old = 0.72 * (开关频率0.85)^2 / 开关频率 = 0.61
故，功率大约缩小为61%
4.工艺改变，开关频率导致功耗高
当一种制造工艺转向另一种工艺时，晶体管开关次数和开关频率的增高远大于负载电容和电压的下降，导致功率和能耗的总体上升。
- 第一代微处理器功率小于1瓦，
- 第一代32位微处理器（Intel 80286）消耗大约2瓦，
- 3.3GHz的Intel Core i7 消耗130瓦
如果不能降低电压或提供每个芯片的功率，那就可能要减缓时钟频率的增长速度。（thermal机制）
5.提高能耗效率
分配功率、消散热能和防止热区变成难度日增的挑战，功率是现在使用 晶体管的只要限制，过去的约束提现在 原料硅区域。
如今微处理器提供很多技术，试图在时钟频率不变和电源电压保持不变的情况下，提高能耗效率。
(1)以逸待劳
关闭非活动模块的时钟，节省能耗和动态功率（如浮点单元的clk）
(2)动态电压频率调整（DVFS）
提供能够降低功率和能耗的工作时钟频率和工作电压（高通芯片clock plan 文档的频率和电压档次）
(3)针对典型场景设计
低功率模式，睡眠模式（上层设定）
(4)超频
Intel 2008年提供Turbo模式，芯片可以判断在少数核心以较高时钟频率短时间运行是安全的，直到温度开始上升为止。
（跑分单线程下，频率提高标配的10%）
6.静态功率（泄露电流）
动态功率是CMOS中主要功率耗散源，但晶体管处于截止状态也存在 泄露电流，即存在这个 静态功率 ：
功率静态 ∝ 电流静态 * 电压
也就是说，静态功率与元器件数目成正比（直接影响基底电流），与晶体管大小成反比。
2011年泄露目标是总能耗的25%，高性能高达50%，部分原因是大型SRAM 缓存需要功率维持存储。 停止泄露的唯一手段就是关闭部分芯片的电源。
7.现代功耗评价指标
现今的主要评价指标是 每焦耳完成的任务数或者每瓦特实现的性能，不再是每平方毫米的硅所实现的性能。