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?? 本章目錄：
0x00 動態(tài)功耗（Dynamic Power）
0x01 集成電路成本（Integrated Circuit Cost）
0x02 基準(zhǔn)測試（SPEC CPU Benchmark）
0x03 SPEC功率基準(zhǔn)測試（SPEC Power Benchmark）
0x04 Pitfall：Amdahl’s 定律
0x05 Pitfall：將 MIPS 作為性能指標(biāo)
0x00 動態(tài)功耗（Dynamic Power）
電力趨勢（Power Trends）
芯片在工作時晶體管處于跳變狀態(tài)所產(chǎn)生的功耗，我們稱之為 動態(tài)功耗 (Dynamic Power)。
在 CMOS 集成電路技術(shù)方中，動態(tài)功耗計(jì)算：功率 = 電容性負(fù)載 × 電壓^2 × 頻率
Capacitive load 為電容性負(fù)載，當(dāng) Frequency 增大時，可以減少 Voltage 降低功耗。
然而，當(dāng) Voltage 持續(xù)減小到一定程度，再減小將會導(dǎo)致靜態(tài)功耗增大，無法有效散熱。
The power wall：我們無法進(jìn)一步降低電壓，我們無法消除更多的熱量。
? 簡化記憶：
Reducing Power：我們假設(shè)一個新的 CPU ，比舊 CPU 的 85% 的電容性負(fù)載 (capacitive load)，
電壓 (voltage) 降低15%，頻率 (frequency) 降低 15。那么 根據(jù)公式?
Suppose a new CPU has 80% of capacitive load of old CPU and 10% valtage reduction. How much power reduction with new CPU?
Old CPU? Voltage: 5.3V? ? ClockRate 1GHz
New CPU Voltage: 3V? ? ? ClockRate 2GHz
動態(tài)功耗主要包括兩部分，即動態(tài)開關(guān)功耗（）和短路功耗（）。
動態(tài)開關(guān)功耗是在邏輯門進(jìn)行開關(guān)事件時產(chǎn)生的功耗，即在 CMOS 邏輯門輸出節(jié)點(diǎn)電壓在邏輯轉(zhuǎn)換過程中由于充電和放電引起的功耗。
在充電過程中，輸出節(jié)點(diǎn)電壓從 0 到? 完全轉(zhuǎn)換，其中一半的能量會以熱的形式在 PMOS 管導(dǎo)通時被消耗，從而形成動態(tài)開關(guān)功耗。因此，動態(tài)功耗主要由邏輯門的輸出電容引起。
另一方面，當(dāng) CMOS 邏輯門在有限的上升沿和下降沿（slew）輸入電壓的驅(qū)動下進(jìn)行開關(guān)時，PMOS 和 NMOS 晶體管會在短時間內(nèi)同步導(dǎo)通，從而在電源和地之間形成一條直流通路，產(chǎn)生短路功耗，這部分功耗被稱為短路功耗（PSC）。
需要注意的是，這只是計(jì)算 CPU 動態(tài)功耗的一個簡化公式，實(shí)際情況可能會更加復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)代CPU在設(shè)計(jì)上會包含更多的功耗管理技術(shù)和優(yōu)化措施，例如動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）、體系結(jié)構(gòu)層面的功耗優(yōu)化等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮更多因素來準(zhǔn)確估計(jì) CPU 的動態(tài)功耗。
0x01 集成電路成本（Integrated Circuit Cost）
與面積和缺陷率的非線性關(guān)系：晶片成本和面積是固定的，缺陷率由制造工藝決定，晶片面積由結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)決定。
0x02 基準(zhǔn)測試（SPEC CPU Benchmark）
用來衡量性能的程序，是實(shí)際工作負(fù)荷的典型代表。標(biāo)準(zhǔn)性能評估公司(SPEC)：開發(fā)CPU、I/O、網(wǎng)絡(luò)等方面的基準(zhǔn)。SPEC CPU2006：
- 執(zhí)行部分程序所需的時間
- 可忽略I/O，因此重點(diǎn)關(guān)注CPU性能
- 相對于參考機(jī)器進(jìn)行歸一化
- 總結(jié)為性能比的幾何平均值
- CINT2006（整數(shù)）和CFP2006（浮點(diǎn)）
用于 Opteron X4 2356 的 CINT2006：
0x03 SPEC功率基準(zhǔn)測試（SPEC Power Benchmark）
不同工作負(fù)荷水平下的服務(wù)器耗電量，性能：ssj_ops / sec，功率： 瓦特 (焦耳/秒)
X4 的 SPEC power_ssj2008：
0x04 Pitfall：Amdahl’s 定律
Amdahl's Law（阿姆達(dá)爾定律）是一種計(jì)算性能的定律，用于衡量在提升計(jì)算系統(tǒng)性能時，對某一部分進(jìn)行優(yōu)化的效果。它由計(jì)算機(jī)科學(xué)家 Gene Amdahl 在1967年提出，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。
改進(jìn)計(jì)算機(jī)的一個方面，并期望在整體性能上有相應(yīng)的改善：
?? 例子：multiply accounts for 80s/100s，How much improvement in multiply performance to get 5× overall?
Can't be done！
謬誤： 閑置時的低功率
回顧一下X4的功率基準(zhǔn)：在100%的負(fù)載下： 295W，在50%的負(fù)載下： 246W (83%)，在10%的負(fù)載下： 180W (61%)。
谷歌數(shù)據(jù)中心：大多在10%-50%的負(fù)載下運(yùn)行，在100%的負(fù)載下，不到1%的時間。
考慮設(shè)計(jì)處理器以使功率與負(fù)載成正比
0x05 Pitfall：將 MIPS 作為性能指標(biāo)
在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和處理器設(shè)計(jì)中，MIPS（Million Instructions Per Second）是一種常用的性能指標(biāo)，用于衡量處理器的性能。MIPS表示在一秒鐘內(nèi)能夠執(zhí)行的百萬條指令數(shù)，因此MIPS值越高，表示處理器在單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令越多，性能越高。
MIPS： 百萬條指令每秒（Millions of Instructions Per Second）
不考慮：計(jì)算機(jī)之間ISA的差異、指令之間的復(fù)雜性差異。
（在一個特定的 CPU 上，不同的程序的 CPI 是不同的）
然而，需要注意的是，MIPS并不是唯一的性能指標(biāo)，它只關(guān)注處理器執(zhí)行指令的速度，而忽略了其他因素，如處理器的微架構(gòu)、流水線深度、緩存層次結(jié)構(gòu)、并行度等對性能的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，綜合考慮多個性能指標(biāo)，如 IPC（Instructions Per Cycle）、CPI（Cycles Per Instruction）、時鐘頻率、功耗等，可以更全面地評估處理器的性能。
?? [ 筆者 ]? ?王亦優(yōu)
?? [ 更新 ]? ?2022.4.25
? [ 勘誤 ]?? /* 暫無 */
?? [ 聲明 ]? ?由于作者水平有限，本文有錯誤和不準(zhǔn)確之處在所難免，
本人也很想知道這些錯誤，懇望讀者批評指正！| ?? 參考資料? C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-420348.html 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-420348.html |
到了這里，關(guān)于【計(jì)算機(jī)架構(gòu)】如何計(jì)算 CPU 動態(tài)功耗的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
