x86处理器电源管理简史，如何做到性能提升却降低能耗？

x86处理器电源管理简史，如何做到性能提升却降低能耗？

常看硬科技专栏的科科们，绝对不可能不知道不学无术的水球，吃饱闲闲就拼命考古、如痴汉裸奔般的野人献曝给各位亲爱的科科。在这个节能省碳爱护北极熊早已成为生活常识的当下，处理器绝对需要具备强大的电源管理机能，最起码当闲闲没事做时，就降低频率或着关闭用不到的功能单元，也是站在时代浪头的科科们必备的基础知识。但各位科科知道在20年前，处理器这方面的技术是多么的五穷六绝，而时下习以为常的省电技术，大多数也都是在Intel最惨烈的岁月，奠定结实的基础吗？

不少人经常迷惑于琳琅满目的处理器电源管理技术营销名词，但只要记得1个重点就好：操作系统在近代电源管理扮演着主导性的角色。在1996年，也就是Intel发布Pentium Pro后没多久，由微软主导，结合Intel、HP、Toshiba、Phoenix等公司一起推动「先进电源管理界面 (ACPI, Advanced Configuration and Power Interface)」，这才是真正的故事起点。

古早利用BIOS控制、且功能极度有限的纯硬件电源管理功能，逐渐被ACPI取代。毕竟只有掌握工作排程的操作系统，才知道目前系统中正在运行的所有程序，是否需要吃威而刚，能否偷塞「什么都不做」的NOP指令 (在x86是”XCHG EAX, EAX”) 让「炎上」的执行单元偷懒一下。一旦遭遇散热功能全面失效、处理器或周边硬件温度完全失控、被迫强制关机时，让操作系统补上最后一刀、而非外部硬件强迫断电，更可将数据损失降到最低。所以每当Intel AMD (特别是后者) 推出新款微架构的处理器，也往往需要操作系统更新，才能充分压榨其节能或「合法超频」的潜力。

ACPI包含4种基本状态：整体系统（G0~Gn）、周边设备状态（D0~Dn）、处理器状态（C0~Cn，C0代表正在执行指令，C1以后则是不同的省电模式）和其C0性能等级（P0~Pn），依据处理器利用率与I/O使用量等信息，那个「n」数字越大，代表操作系统认为整台电脑越是「无聊没事干」。能否让处理器拥有更精细的「换档」，让性能更可以刚刚好贴近操作系统眼中的实际需求，不多出一分力，并更快的切换不同的模式，就考验着Intel和AMD的真本事。

Intel最早在笔记本电脑版Pentium III的初代SpeedStep，只有「最高频率/最高电压（HFM，High Frequency Mode，该处理器的最高频率）」和「最低频率/最低电压（LFM，Low Frequency Mode，统一600MHz）」2种模式。到了为笔记本电脑完全量身订做的Pentium M，引进了EIST

(EnhancedIntel SpeedStep，代号Geyserville)，就变成以下的样貌。EIST也持续演进到Skylake的SST (Speed Shift Technology)。

EIST：以Pentium M 1.6GHz为例

电压（Vdc）

频率

1.484

1.6GHz

1.42

1.4GHz

1.276

1.2GHz

1.164

1GHz

1.036

800MHz

0.956

600MHz

一步接着一步，在国内式机市场，Intel在90nm工艺NetBurst家族加入C1E (扩展型C1，或称为强化暂停模式)，在2005年第一季的Prescott 600系列导入完整的EIST。另一方面，笔记本电脑市场的Pentium M支持到C4 (Deeper Sleep)，双核心的Core (Yonah) 更多出Deeper C4，睡的更死。下面这张图很清晰的描绘出Intel P6家族的电源管理演进，也象征着Intel的x86处理器如何一步一步的踏入移动运算的世界。

Intel在Prescott核心的Xeon “Nocona”补强了DBS (Demand-Based Swiching)，更能充分发挥ACPI的潜能。同时期的AMD CnQ (Cool'n'Quiet, PowerNow!的台式机版名称)，也是基于相同原理的技术。这个3.6GHz的Xeon执行Red Hat Enterprise 4的范例，应该能让各位科科瞬间茅塞顿开，一次搞清楚ACPI是怎么一回事。

但在ACPI之外，硬件层面的温度控管机制也同样重要。有点电脑资历的读者请回想一下，某些知名硬件网站曾经播过的著名场景：拿掉初代Pentium 4的散热器时，执行中的游戏画面会瞬间降格，散热器放回去后，又恢复正常的速度，这就是Clock Throttling (频率阻塞) 的作用，由初代Thermal Monitor (TM1) 塞一堆Stop Clock (STPCLK#) 信号，但这并不会降低倍频和电压，实际作用并不会比塞入NOP指令，让处理器大多数ALU单元休息一下好到哪里去。

也因此，Intel在90nm工艺的Prescott追加了以下项目：

·Thermal Monitor 2 (TM2)：可实际调控倍频与电压。

·Tcontrol及Tambient参数：可针对处理器内的热量传感器 (一般放在最热的位置，如浮点运算器和ALU的中间) 的回报温度，过热时就自动降低工作性能。处理器封装边缘的另一个热量传感器，则用来控制风扇转速。

·PROCHOT (Processor Hot) 脚位改为双向信号：有别于过去由主板通知处理器过热、必须降温，当处理器过热时，可反过来告知主板、让主板从外部调降频率，提供处理器以外的系统层级保护，尤其可避免主板上的供电散热零件，因过热导致损坏。

为何笔者会刻意强调温控的重要性，因为这刚好是同期AMD产品缺乏的特色。究竟有多么重要？笔者任职于某周刊期间，就曾经在测试产品时，不小心没装好散热器，烧了价值999美元的Athlon 64 FX-57，还让公司赔了这笔钱。每当回顾这段往事，至今仍让笔者科科地笑。

讲完省电，接着就是「超频」了，想了解详情的朋友记得关注我哟！

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