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标题: 关于CPU功耗的再次科普 [打印本页]

作者: spinup 时间: 2009-5-15 20:06
标题: 关于CPU功耗的再次科普
本帖最后由 spinup 于 2009-5-20 19:52 编辑

CPU功耗的公式：
功率=a*总栅电容*电压*电压*频率。其中a为与电路有关的一个调整参数。总栅电容对于一个cpu是固定的。
也就是说CPU的功率与工作电压平方成正比，与工作频率成正比。

P=UI这个公式在这里是不正确的。特别CPU的工作功率并非固定。同一CPU，频率固定则电压越高功率越高（实际上工作电流I与电压V成正比，电压越高电流会越大）

--------
新制程CPU往往测温不准，因为现在CPU测温是依靠CPU内部的测温二极管，而测温二极管的特性与CPU的制程紧密相关。也就是说不同制程的CPU，需要BIOS或者CPU监测软件根据这个CPU的实际情况调整算法。
但是很多主板制造日期早于CPU上市日期，所以BIOS里并没有新CPU的测温算法----这样就导致了新CPU的测温bug。这是一个普遍的现象，intel和amd都会通知主板和bios提供商升级bios，但是会有一个延迟。
只需要找最新版本的bios刷一下，测温不准的问题很容易解决。

----------
CPU功耗相关的问题可以在这个帖子里提出，我将尽力解答我知识范围内的相关问题。

作者: visa_fine 时间: 2009-5-15 20:26
沙发支持一下技术贴

作者: westlee 时间: 2009-5-15 20:29
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作者: terryhu 时间: 2009-5-15 20:34
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作者: 新世界 时间: 2009-5-15 20:35
技术帖，学一下

作者: scorpionchen 时间: 2009-5-15 20:43
受教了,顶起~~

作者: spinup 时间: 2009-5-15 20:47

msi p35 neo2 fr+E5200核心温度最低就是36度,抵不了,是bug吗?bios已经最新
terryhu 发表于 2009-5-15 20:34

36度应该差得不多了。稍有一些误差是正常的。

作者: joe1234 时间: 2009-5-15 20:49
处理器VID不同是什么原因呢？对功耗有影响么？

作者: potomac 时间: 2009-5-15 21:12
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作者: 軒軒爱人 时间: 2009-5-15 21:20
一.以反相器为例看CMOS数字电路的功耗：

由于CMOS的结构，理论上CMOS反相器只要输出端的负载不吸收能量，整个反相器就没有静态功耗。不过反相器的实际工作中，存在动态功耗。

先假设输入为“1”，此时P管截止N管开通，负载电容电量清零。
在输入跳变为零的瞬间，P管开通，N管截止。电流就从电源充入负载电容。在电量Q=CV的时候负载电容饱和，反相器就进入另一个稳定态。
输入再次从“0”跳回“1”的瞬间，P管截止，N管开通，负载电容中的电量被排放到了地线上，能量在NMOS管的电阻中被消耗掉。

在整个周期的两次翻转过程中，有电量Q=CV从电源间接导入地线，总共消耗的电能W=QV，即W=CV^2。再乘上频率f，我们就获得了CMOS电路的功率公式：P=CV^2f。这就是CMOS数字电路的动态功耗，也是目前数字电路主要功耗。

二.MOS管工作原理的进一步说明：

以NMOS管为例，栅极上的电压升高超过一个特定的电压（阀值电压）后，沟道区表面形成反型层连接源漏，NMOS管就开通。PMOS管与NMOS管工作原理几乎相同，所不同的是PMOS管中沟道的载流子不是电子而是空穴，栅电压的极性对沟道的形成起的作用也恰好相反。

决定管子是否开通和开通电流大小的是加在沟道上的电场与阀值电压。
一般来说，源漏之间电场强度越大，最大电流也可以越大，驱动负载的能力就越强。这个数值与晶体管的线宽和源漏之间的电压差（也就是电路的工作电压）密切相关---线宽越小，工作电压越高，晶体管性能就越高。

另外，工作电压与阀值电压的比例也是很关键的因素，这个比例越高，晶体管的反应速度就越快。一般来说，CPU这样的高速数字电路一般设定的工作电压是阀值电压的4-5倍（更高的比例对提高晶体管性能的作用会递减）。

了解晶体管工作的原理，大家就能想到为什么要加电压来提高CPU速度了。提高工作电压一方面提高了源漏之间的电压差，一方面也加大了工作电压与阀值电压的比例。代价就是会按电压的平方比增加电路的功耗（加上频率的提高，功耗会进一步加大）。

对于半导体生产商来说，也可以靠降低阀值电压来提高电路的性能。同样线宽，同样工作电压的情况下，低阀值的MOS管可以比高阀值的MOS管性能高20%甚至更多。

三.90nm时代后的几个重大变化

前面说CMOS电路理论上没有静态功耗，但是在90nm以后情况就变得大不一样了。

首先是阀值电压的问题。按以往的CMOS工艺规律发展的话，90nm下CPU的工作电压应降低到1.2V以下。前面说过，高速数字电路要求工作电压和阀值电压的比例是4：1左右。也就是说，阀值电压也应降低到0.3V以下。

但是有一个重大的问题出现了，实际上MOS管的亚阀泄漏随阀值电压降低而指数提高。阀值电压在0.3V以上的时候，亚阀泄漏是很小的数值，一般可以忽略。但是阀值电压降到0.3V以下，亚阀泄漏就十分显著。这就是90nm的阀值之障。

目前CPU内部的高性能晶体管的阀值电压做到了0.2V甚至更低，实际上晶体管已经无法彻底截止。它们需要用高阀值的其它晶体管来控制其电源（和/或地），也就是组成多阀值电路来控制其功耗。

因为阀值电压与亚阀泄漏的关系，我们一直认可的“芯片使用的电压越高，功耗越高”这种说法在90nm后就变得不再确切了。采用高阀值方案的芯片虽然工作电压可能高，动态功耗略大，但静态功耗可能很小。而采用低阀值方案的芯片虽然工作电压可能略低，但总功耗却未必低。所以即使是同线宽下相似规模，相似功能的芯片，功耗还要看电路设计以及工艺细节的选取，高压不代表高功耗，同样也不再代表高性能，电压高的芯片未必能达到更高的频率。

另外MOS管的另一个部分也出现了严重问题，那就是栅氧层。栅氧层厚度与晶体管的性能也有密切的关系，简单来说栅氧层越薄，晶体管也会有更高的性能。按规律MOS管的栅氧层每一代都要变得略薄，90nm阶段，栅氧层厚度发展到了小于2nm。

不过2nm以上的栅氧层可以看作理想的绝缘层，但是2nm以下栅氧层就会出现明显的穿通泄漏现象，这个泄漏也是按指数形式增加的。这个就是90nm的栅泄漏之障。

有了这两个泄漏因素的影响，90nm及以后数字电路的性能以及功耗的关系就变得复杂得多。

四.超频处理器的选择

上面的这些概念和原理对于选择超频能力强的处理器有很密切的关系。

因为步进和生产批次的原因，目前相同型号规格的处理器往往有不同默认电压。许多人发现有一些默认Vid低的处理器，满载甚至待机的功耗并不低，而一些默认Vid高的处理器，满载及待机的功耗却并不高。这两种CPU哪一种超频能力会更好？

大多数人都知道，跑相同频率，默认电压低就意味着拉到相同电压后可以跑的频率会更高。不过很多人会有这样的疑问：同频率下电压越低，根据MOS电路动态功耗公式P=fCV^2，CPU的功耗也应该更低啊，电压越低CPU越热会不会有啥问题？

其实了解上面“阀值之障”的来龙去脉，就能猜出一些端倪了。处理器的阀值电压要略低，才能用更低的工作电压z正常运作。但是阀值电压少许降低却会导致亚阀泄漏的明显增加。在65nm甚至更低的工艺上，亚阀泄漏增加导致的功耗增加将远大于工作电压降低而导致的动态功耗降低。换句话说，同规格的处理器如果发现默认工作电压略低的功耗却更大，基本就可以确定它采用了更低的阀值电压。

更低的阀值电压还意味着什么？如果增加相同电压，高阀值芯片实际电压与阀值的比例提高要小于低阀值芯片的比例提高。也就是说低阀值芯片对电压会更敏感。也就是说，在现在工艺条件下，功耗越大的处理器很可能越能超。低电压就大功耗的处理器不再是雷，而很可能是雕了。

作者: spinup 时间: 2009-5-15 21:20

处理器VID不同是什么原因呢？对功耗有影响么？
joe1234 发表于 2009-5-15 20:49

处理器的Vid是告知主板应提供怎样的电源电压的一种方式。

默认Vid也就是CPU默认的工作电压。工作电压对功耗当然有影响。

前面说过CPU的功耗公式（注意CPU的功率几乎100%变为需要耗散的废热，所以功率和功耗可以当一回事看）实际是数字电路的动态功耗。以前CMOS电路的处理器主要就是动态功耗，这个公式可以直接使用。

但是90nm以后的处理器有阀值电压和泄漏功耗问题。阀值电压低一些，相同工作电压下的晶体管性能一般会高一些，或者说要让电路达到同样性能，工作电压可以略低一些。不过阀值电压越低，亚阀泄漏就会越大。
也就是说相同结构的处理器阀值电压低，同样频率需要的电压可以略低，动态功耗略低，但是泄漏功耗却会增大。

所以目前来说，只看Vid，没办法直接看出CPU功耗到底是大是小。---两颗同线宽且同频的处理器，如果一颗Vid略低，则可能是制造时候设定的阀值电压略低，不过也有可能是阀值电压高但是制造得比较完美而不需要高电压就能跑到特定的频率。当然后一种情况功耗会更低。

所以Vid低但功耗高也不是不可能（不过阀值不同导致测温二极管参数不同也会对测温有一些影响，让人感觉Vid低的处理器温度更高），不过Vid低，超频时候加压的空间也略大，对加压也会稍敏感一些。所以Vid低很可能更有利于超频。

作者: k319 时间: 2009-5-15 21:53
一直很想知道cpu的真正温度看一下了

作者: lgthunders 时间: 2009-5-15 23:18
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作者: 伊制鞋 时间: 2009-5-16 00:12
进来科普一下

作者: 就是BU信邪 时间: 2009-5-16 00:16
en
纯技术贴

作者: 走火2008 时间: 2009-5-16 00:20
强烈支持技术贴

作者: amx004 时间: 2009-5-16 00:22
科普贴必收藏之

作者: yelanyun 时间: 2009-5-16 01:05
-0-
好像我的MSI P31已经没更新了BIOS了

作者: 紫夜星辰 时间: 2009-5-16 03:08
支持下，学习了

作者: kof2003 时间: 2009-5-16 07:10

好贴技术贴要支持

作者: wylliang 时间: 2009-5-16 08:24
看起来看数学教学贴了，CPU功耗算起来是麻烦。

作者: dirwdirw 时间: 2009-5-16 08:46

也就是说CPU的功率与工作电压成正比，与工作频率成正比。

（实际上工作电流I与电压V成正比，电压越高电流会越大）

我提出一个疑问，它们之间的关系确实是正比例关系？
比如一个默电超到3.2G的2140，满载功耗（满载去除了节电功能因素）恰好就是默认时1.6G的2倍？

作者: abc175 时间: 2009-5-16 09:26
LX几位考虑过多了，INTEL出U的时候，默认电压做的很细致。
不会因为你降一些电压就出现漏电过多的情况。所以降压还是对降温起主要作用。
但凡事都有个极限，不能降太多吧，本身U也不稳定了。

U的功耗跟电压平方成正比。就算你说的低电压漏电提高，降压之后，
提高的功耗和降低的功耗比较，谁多谁少？偶觉得还是平方倍的效果多些。
只不过降压带来的效果在很低的电压下不明显罢了。

作者: spinup 时间: 2009-5-16 09:41

楼主描述不准确
lz给出的公式仅仅描述了晶体管的动态功耗。
现在的微处理器早已使用深亚微米工艺，静态功耗已经超过动态功耗；
动态功耗中驱动互连线产生的功耗占总动态功耗的比重也开始超过晶体管本身的动态功 ...
lgthunders 发表于 2009-5-15 23:18

呵呵，确实只用这个公式估算功耗其实并不准确。这个公式只能定性的解释cpu功耗的来历，实际上由于电路和工艺的具体情况，真正的算法要复杂太多。

后面10楼贴的文章其实是我以前写的，那个帖子就已强调泄漏功耗对于现代cpu的影响。不过泄漏功耗并不等于静态功耗，采用多阀值电路等方案，泄漏功耗其实也是动态的。

不过p=a*c*v*v*f这个公式还是有很大用处------互连线电容产生的功耗也是与电压的平方成正比，与频率成正比。而泄漏功耗现在也可以用类似的公式来近似。

------现代数字电路的功耗计算确实是非常复杂的，有些实际产品与设计时候仿真出的功耗会有成倍的差别，影响实际产品的功耗的因素实在太多了。

作者: 小小强 时间: 2009-5-16 09:42
技术贴啊，收藏

作者: spinup 时间: 2009-5-16 09:47

我提出一个疑问，它们之间的关系确实是正比例关系？
比如一个默电超到3.2G的2140，满载功耗（满载去除了节电功能因素）恰好就是默认时1.6G的2倍？
dirwdirw 发表于 2009-5-16 08:46

可以很明确的说，这种情况是不可能的。

影响cpu功耗的因素太多了，动态功耗公式只能给出一个定性的描述。

作者: dirwdirw 时间: 2009-5-16 09:52
那这个公式意义何在？在什么理性环境下，此公式有效？

作者: mAplE_fM 时间: 2009-5-16 10:07
进来学习，看来只要稳定，降压还是很有好处的

作者: spinup 时间: 2009-5-16 10:18

那这个公式意义何在？在什么理性环境下，此公式有效？
dirwdirw 发表于 2009-5-16 09:52

在有基本的实测数据情况下，可以用这个公式近似。

例如你用默电从1.6g超频到3.2g，你就需要主板的电源能提供2倍的功率，散热器也要保证2倍的散热能力。-----电压不变的话超频100%，实际功耗增加会略小于100%的，2倍的散热与供电可以保证这两个方面不成为超频的阻碍。

作者: Ese 时间: 2009-5-16 14:19
收藏收藏，技术贴。

作者: gskill 时间: 2009-5-16 23:25
嗯，学习了！

作者: 小小强 时间: 2009-5-17 09:03
为什么我用北电插座测试我的2140
相同电压下3g和2.2g整机功耗基本没差别

作者: dxbbc 时间: 2009-5-17 09:23
不错。。。。。。。。。。。。。。

作者: westlee 时间: 2009-5-17 09:29
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作者: vrena 时间: 2009-5-17 09:38
早上起来看到好帖子。

作者: zajara 时间: 2009-5-17 11:11
好久没有学习新技术了

作者: 再一次 时间: 2009-5-17 13:10
技术贴，学习了。。。顶下。

作者: wxm 时间: 2009-5-17 14:45
本帖最后由 wxm 于 2009-5-17 14:50 编辑

看过很多实测频率的影响较小很多时候小于公式的正比关系
电压的影响很猛有时候甚至超过平方关系 (因为温度的原因吗?)

现在很多中低端U 其实都能大大低于默压稳跑的
电网爱死"默认党"了

作者: missl 时间: 2009-5-17 17:05
不错，顶你

作者: westlee 时间: 2009-5-17 18:22
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作者: dirwdirw 时间: 2009-5-17 22:13
那么就是说，关闭了C1E EIST后，一个CPU满载和待机的功耗应该是一样的？

至少到了C2D这一代的cpu，从温度上看，还是否定的

这个公式是怎么来的？如果上面的答案确实是否定的话，那连定性都定不了了。

作者: 拳头 时间: 2009-5-17 22:22

CPU功耗的公式：
功率=a*总栅电容*电压*电压*频率。其中a为与电路有关的一个调整参数。总栅电容对于一个cpu是固定的。
也就是说CPU的功率与工作电压成正比，与工作频率成正比。

spinup 发表于 2009-5-15 20:06

功率与电压的平方成正比吧？怎么弄成与电压成正比了？
电压的平方成正比的结果是加压超频比不加压超频的热量增加的更多。

作者: 毛毛叉 时间: 2009-5-17 22:43
请问楼主，降压对CPU有伤害么？
我的Q9550不超频满载的VID是1.25v，现在我手动降至1.1，很稳，可否长期用？
谢谢解答。

作者: abc175 时间: 2009-5-17 23:11

看过很多实测频率的影响较小很多时候小于公式的正比关系
电压的影响很猛有时候甚至超过平方关系 (因为温度的原因吗?)

现在很多中低端U 其实都能大大低于默压稳跑的
电网爱死"默认党"了

很正常，CPU温度越高，漏电量越高，实际功率可能比平方倍略高些。

作者: 冭孓爺卓一帆 时间: 2009-5-17 23:13
顶！

作者: Elensar 时间: 2009-5-17 23:56
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作者: 帅鸟用_钱硬道理 时间: 2009-5-18 01:09
看看，呵呵还不错

作者: 拳头 时间: 2009-5-18 11:48

我怎么记得是和频率的平方成正比……
Elensar 发表于 2009-5-17 23:56

公式在1楼，应该没错，10年前就是这个，应该是电压平方成正比。

作者: sea 时间: 2009-5-18 11:56
问个小白问题。。

TDP 到底和 CPU 实际功耗差不多多大？ TDP能真实反映 CPU 满足功耗么？

作者: 郁闷的ct 时间: 2009-5-18 12:41
不管如何，BE2400用起来心理感觉应该省点电

作者: susu2933 时间: 2009-5-18 12:46
帮顶。。。

作者: Joeooo 时间: 2009-5-20 17:19
顶个贴再慢慢学习

作者: spinup 时间: 2009-5-20 20:15

那么就是说，关闭了C1E EIST后，一个CPU满载和待机的功耗应该是一样的？

至少到了C2D这一代的cpu，从温度上看，还是否定的

这个公式是怎么来的？如果上面的答案确实是否定的话，那连定性都定不了了。
dirwdirw 发表于 2009-5-17 22:13

满载和待机功耗当然不一样。动态功耗公式是以单个门电路的工作模式推算出来的。待机就是说大部分电路不动作，那功耗就要小得多-----相当于大部分电路以很低的频率运行。

参数a就是用来简化动态功耗公式的。实际上计算动态功耗，还需要知道特定工作状态下启用的晶体管比例。大家都知道，同一cpu在不同时间运行两个不同软件，即使都是满载，实际产生的功耗也会有一些区别。

90nm以后因为有泄漏电流的问题，假如不加处理，泄漏电流导致的功耗可以与动态功耗相当甚至更大，所以C1E,EIST等技术拉低平均功耗，还是有一些用处的。

作者: spinup 时间: 2009-5-20 20:23

请问楼主，降压对CPU有伤害么？
我的Q9550不超频满载的VID是1.25v，现在我手动降至1.1，很稳，可否长期用？
谢谢解答。
毛毛叉发表于 2009-5-17 22:43

cpu内的电路实际可能有多种形式，我也不能打包票说一定无害，至少低到一定程度cpu就没办法工作了。
但是绝大多数情况下，少许降压不会带来损害。
例如厂家的功耗控制技术；例如EIST可达到的最低电压，这个电压肯定不会损害cpu。只要稳定，电压总是越低越好。

作者: spinup 时间: 2009-5-20 20:55

问个小白问题。。

TDP 到底和 CPU 实际功耗差不多多大？ TDP能真实反映 CPU 满足功耗么？
sea 发表于 2009-5-18 11:56

TDP是cpu厂商对主板商供电和散热器，机箱厂商散热的要求。
CPU极限状态下极短时功耗超过tdp是有可能的，但是一般工作状态下即使满载也不大可能超过tdp。所以供电能力和散热能力达到tdp要求，cpu就能稳定工作。
---实际现在cpu电路的最大功率密度有数百瓦/平方厘米，而cpu面积一般又都在100平方毫米以上，大家可以想见，所有晶体管同时运作会是怎样的情况-------幸运的是，这种情况不可能出现，例如cpu定点，浮点执行部件要全速工作，那1级缓存命中率就要极高，这就意味着L2，分支，地址转换，I/O等电路会基本闲置，也就是说，有些部分繁忙就一定意味着另一部分无所事事，虽然cpu确实满载运行。----这也是为何同样cpu满负载，有时功耗大，有时功耗却略小。

不过cpu厂商一般会给出一个样板设计的最低标准，例如现在65w，所以基本没有主板弱于65w的供电能力，所以tdp要求在65W以下的一般都标称65W，实际差别可能不小。但是功率越大，cpu厂商往往标得越精细，也就是说tdp越接近cpu满载的功耗表现。

作者: spinup 时间: 2009-5-20 21:09

功率与电压的平方成正比吧？怎么弄成与电压成正比了？
电压的平方成正比的结果是加压超频比不加压超频的热量增加的更多。
拳头发表于 2009-5-17 22:22

笔误笔误。
现已改正

作者: vbn_vbn 时间: 2009-5-20 23:34
帮顶下。。。。

作者: vbn_vbn 时间: 2009-5-20 23:37
帮顶下。。。。

作者: ysjd2002 时间: 2009-5-21 00:07
太复杂了看看知道自己现在3.5G待机35度就可以了其他无视了

作者: cctvgxtv 时间: 2009-5-21 00:28
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作者: jiangfannew 时间: 2009-5-21 13:32
写的不错

作者: janeslove 时间: 2009-8-26 18:01
楼主写的不错哦

作者: 4479237 时间: 2010-2-4 13:17
顶顶楼主的

作者: warterfly 时间: 2010-2-4 13:55
顶技术贴。。

作者: zgmfx10akira 时间: 2010-2-4 14:09
功耗不同，最大温度也不一样的。

作者: papa312 时间: 2010-2-4 17:56
还是低碳生活不错，呵呵，路过，帮顶！

作者: xeon-pan 时间: 2010-2-4 18:10
本帖最后由 xeon-pan 于 2010-2-4 18:12 编辑

如果主板的测温不准，我们能否通过采用测温头伸入散热内部靠近CPU的地方，测得CPU准确的表面温度，从而通过 ...
qh18611 发表于 2010-2-4 13:35

其实CPU表面的那个探问头相对很准确了。
也可以挖槽埋探问头的但是探问头不能直接接触散热器，因为散热器和cpu表面有热阻两者温度不同的

作者: 700 时间: 2010-2-4 18:44
强烈支持技术贴

作者: remislin 时间: 2010-2-4 18:54
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作者: xmasjacky 时间: 2010-2-4 18:57
进来学习了

作者: majunon 时间: 2010-12-17 13:40
吾必强顶本贴

作者: xiaoyaya12 时间: 2010-12-17 16:15
技术贴加精

作者: lewx 时间: 2014-12-21 15:58
这个帖子太扯了，cpu是半导体，同样的电压下，电流不是固定的

作者: lewx 时间: 2014-12-21 15:59
本帖最后由 lewx 于 2014-12-21 15:59 编辑

1楼是按照中学物理算电阻丝功率呢

作者: cctvgxtv 时间: 2014-12-25 18:55
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