功耗墙

功耗墙

图1-15表示25年间Intel八代微处理器的时钟频率和功耗的增长趋势。两者的增长几乎保持了将近20年，但近几年来突然缓和下来。其原因在于两者是密切相关的，而且功耗已经到达了极限，无法再将处理器冷却下来。

 图1-15　25年间Intel x86八代微处理器的时钟频率和功耗

奔腾4处理器时钟频率和功耗提高很大，但是性能提升不大。Prescott发热（thermal）问题导致奔腾4处理器（生产线）的放弃。Core 2（生产线）恢复使用低时钟频率的简单流水线和片上多处理器。

占统治地位的集成电路技术是CMOS(互补型金属氧化半导体)，其主要的功耗来源是动态功耗，即在晶体管开关过程中产生的功耗。动态功耗取决于每个晶体管的负载电容、工作电压和晶体管的开关频率：

功耗=负载电容×电压2×开关频率

开关频率是时钟频率的函数，负载电容是连接到输出上的晶体管数量（称为扇出）和工艺的函数，该函数决定了导线和晶体管的电容。

为什么时钟频率增长为1000倍，而功耗只增长为30倍呢？因为功耗是电压平方的函数，能够通过降低电压来大幅减少，每次工艺更新换代时都会这样做。一般来说，每代的电压降低大约15%。20多年来，电压从5V降到了1V。这就是功耗只增长为30倍的原因所在。

举例　相对功耗

假设我们需要开发一种新处理器，其负载电容只有旧处理器的85%。再假设其电压可以调节，与旧处理器相比电压降低了15%，进而导致频率也降低了15%，问这对新处理器的动态功耗有何影响？

 

新处理器的功耗大约为旧处理器的一半。

目前的问题是如果电压继续下降会使晶体管泄漏电流过大，就像水龙头不能被完全关闭一样。目前40%的功耗是由于泄漏造成的，如果晶体管的泄漏电流再大，情况将会变得无法收拾。

为了解决功耗问题，设计者连接大设备，增加冷却，而且将芯片中的一些在给定时钟周期内暂时不用的部分关闭。尽管有很多更加昂贵的方式来冷却芯片，而继续提高芯片的功耗到300瓦特，但对桌面计算机来说成本太高了。

由于计算机设计者遇到了功耗墙问题，他们需要开辟新的路径，选择不同于已经用了30多年的方法继续前进。

精解：虽然动态功耗是CMOS功耗的主要来源，但静态功耗也是存在的。因为即使在晶体管关闭的情况下，还是有泄漏电流存在。2008年时典型的电流泄漏占40%的功耗。因此，增加晶体管的数目，就会增加漏电功耗，即使这些晶体管总是关闭的。各种各样的设计和工艺创新被用来控制电流泄漏，但还是难以进一步降低电压