生來節(jié)能Skylake微架構(gòu)

王欣

Tick Tock從時(shí)鐘指針發(fā)出的聲響得來，英特爾非常形象地用這種指針前進(jìn)方式來隱喻自己在半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展節(jié)奏：每一次Tick代表著同一代微架構(gòu)下，更新處理器制程（即制造工藝），從而達(dá)到縮小芯片面積、減小能耗和發(fā)熱量的目的；每一次Tock代表著同一代制程下，更新處理器微架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)處理器性能的提升，進(jìn)而提升能效。

所謂節(jié)能可以包含兩方面的意義：盡可能減少能量消耗，生產(chǎn)出與原有同樣性能、同樣品質(zhì)的產(chǎn)品；或是以原有相同的能量消耗，生產(chǎn)出性能更強(qiáng)、品質(zhì)更好的產(chǎn)品。

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的國家充分認(rèn)識(shí)到了環(huán)境對(duì)人類發(fā)展的影響。各國都在采取積極有效的措施改善環(huán)境，減少能源消耗，因此節(jié)能是最關(guān)鍵、也是最直接有效的重要措施，同時(shí)也是中國可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長遠(yuǎn)戰(zhàn)略，是我國的基本國策——由此可見節(jié)能的重要性。事實(shí)上，我國不僅針對(duì)節(jié)能制定了十二五規(guī)劃，更是從政策方面給予了全力支持！

英特爾發(fā)布的新一代處理器有著 “生來節(jié)能”的優(yōu)秀特性，可同時(shí)滿足節(jié)能在兩方面的含義，這與其Skylake微架構(gòu)息息相關(guān)。

Tick Tock鐘擺戰(zhàn)略

Tick Tock從時(shí)鐘指針發(fā)出的聲響得來，英特爾非常形象地用這種指針前進(jìn)方式來隱喻自己在半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展節(jié)奏：每一次Tick代表著同一代微架構(gòu)下，更新處理器制程（即制造工藝），從而達(dá)到縮小芯片面積、減小能耗和發(fā)熱量的目的；每一次Tock代表著同一代制程下，更新處理器微架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)處理器性能的提升，進(jìn)而提升能效。

英特爾Tick Tock戰(zhàn)略路線圖

Tick Tock的周期為兩年：偶數(shù)年為制程更新年（Tick），奇數(shù)年為架構(gòu)更新年（Tock），這種交錯(cuò)縱橫的更新節(jié)奏更加有利于處理器芯片的有效發(fā)展。

從上圖可以看出，自45nm制造工藝下的Core微架構(gòu)開始，英特爾處理器歷經(jīng)Nehalem微架構(gòu)—32nm制程—Sandy Bridge微架構(gòu)—22nm制程—Haswell微架構(gòu)—14nm制程，發(fā)展到現(xiàn)在的Skylake微架構(gòu)。

14nm制程和3D晶體管技術(shù)

制程

制程也叫制造工藝，處理器中有大量晶體管和集成電路，制程可以簡單理解為它們的精密度，也就是說制程越先進(jìn)、精密度越高，那么在同樣的面積中就可以制造和容納更多的電子元器件，連接線路也可以更細(xì)更復(fù)雜，從而性能也就更好；或者是在同樣的性能表現(xiàn)下，制程越先進(jìn)，那么容納同樣多元器件所用的面積就越小，從而處理器芯片也就越小。

需要注意的是，我們說的納米（nm）正是衡量制程是否先進(jìn)的直接標(biāo)準(zhǔn)：nm數(shù)越小，就意味著元器件、晶體管以及連接電路的精密度越高，Skylake微架構(gòu)便基于14nm制程。

3D晶體管技術(shù)

3D晶體管的全稱是3D Tri-Gate三柵極晶體管。晶體管是現(xiàn)代電子學(xué)的奠基石，想必這個(gè)說法無人否認(rèn)，任何電子設(shè)備、芯片等都基于晶體管。自晶體管發(fā)明以來，它都在使用2D的平面結(jié)構(gòu)，而英特爾公司在摩爾定律的發(fā)展下意識(shí)到，晶體管技術(shù)必須有重大突破才能避免成為發(fā)展的壁壘，因此投入巨大人力、物力和財(cái)力開發(fā)全新一代晶體管技術(shù)，于2012年正式發(fā)布了基于22nm制程、第一代3D三柵極晶體管技術(shù)的Ivy Bridge處理器。3D晶體管不僅在當(dāng)時(shí)被稱為是“晶體管歷史上最偉大的里程碑式發(fā)明”、“年度最重要技術(shù)”、“重新發(fā)明了晶體管”。

獲得如此至高評(píng)價(jià)并非空穴來風(fēng)：在材料和制程都有了革命性改變的前提下，傳統(tǒng)2D晶體管本身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為阻礙電子學(xué)發(fā)展的絆腳石，我們不妨以一張圖來說明問題。

我們先花費(fèi)一點(diǎn)點(diǎn)文字講述一下處理器的工作原理：由于晶體管具有開關(guān)特性，其開啟（電流通過）和關(guān)閉（電流阻斷）正好能夠?qū)?yīng)二進(jìn)制中的0和1，而計(jì)算機(jī)則是基于二進(jìn)制算法的設(shè)備，因此處理器中需要大量的晶體管來完成指令和數(shù)據(jù)的處理。從上圖中不難看出，傳統(tǒng)2D晶體管的柵極（柵極可以理解為晶體管的閘門）控制在通過電流時(shí)效率較低，阻斷電流時(shí)又會(huì)有較高漏電流產(chǎn)生，這意味著能量的無謂消耗；3D晶體管則采用了一個(gè)薄得難以想象的三維硅鰭片取代了傳統(tǒng)2D晶體管上的柵極，且3D晶體管鰭片的三個(gè)面都帶有柵極，不僅可讓電流通過更多更快，還能夠通過頂部柵極的輔助控制，來讓晶體管在閉合狀態(tài)時(shí)盡可能減少漏電流，體現(xiàn)到處理器上就是能夠極大提升性能，同時(shí)還可以大幅度降低功耗。

制程和晶體管技術(shù)相輔相成，如果沒有先進(jìn)的制程，那么晶體管技術(shù)只能是紙上談兵——很難想象基于32nm制程的3D晶體管達(dá)到十?dāng)?shù)億級(jí)別后，處理器將會(huì)是何種樣子。基于14nm制程的第二代3D晶體管技術(shù)與第一代3D晶體管技術(shù)相比，有了更小的間隙從而提升了密度，能夠在同樣面積的芯片上提供更多晶體管，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)性能；同時(shí)第二代3D晶體管還有更高更細(xì)的鰭片來提升驅(qū)動(dòng)電流和性能，可以通過削減晶體管密度的方式，在更小面積的芯片上提供相同的性能表現(xiàn)，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的——這正契合了節(jié)能概念的兩重含義。

晶體管不僅用于處理核心和圖形核心，更是緩存的基石，因此先進(jìn)的制程和晶體管技術(shù)不僅能夠提升處理核心和圖形核心本身的性能，還能夠提升緩存性能，從而令整個(gè)處理器性能得到大幅提升；相應(yīng)的，這也意味著如果縮小芯片面積，那么不僅能夠降低功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能，同時(shí)也不會(huì)令性能打折扣。

節(jié)能-無風(fēng)扇設(shè)計(jì)之旅

在第六代智能酷睿處理器家族中，尾號(hào)為Y的處理器被單獨(dú)劃歸至全新的處理器子品牌——Core M、酷睿M處理器?？犷處理器最大的特點(diǎn)便是能極大降低功耗，其實(shí)際功耗低至4W，以至于基于酷睿M處理器的設(shè)備根本無需散熱系統(tǒng)支持，從而取消了風(fēng)扇，進(jìn)一步節(jié)能。

無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

如果說筆記本電腦的誕生解決了人們對(duì)移動(dòng)計(jì)算的需求的話，那么無風(fēng)扇設(shè)計(jì)可謂是CPU節(jié)能設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)。在大約10年前，人們對(duì)超便攜筆記本電腦的概念是重量不超過2.5公斤，續(xù)航能力在3-4小時(shí)左右，這個(gè)數(shù)字換到現(xiàn)在想必沒有人能夠接受——從2010年32nm Westmere處理器開始，到2014年首次推出Core M（Broadwell Y系列處理器），隨著處理器技術(shù)的不斷演進(jìn)，筆記本的輕薄記錄也在不斷被打破，與此同時(shí)，至關(guān)重要的性能和電池續(xù)航能力也不斷提升——現(xiàn)在，重量不足1公斤，性能滿足日常使用需求，續(xù)航能力可支撐全天計(jì)算的設(shè)備比比皆是。

TDP功耗

TDP是英文 “Thermal Design Power”的縮寫，字面意思是 “散熱設(shè)計(jì)功耗”。TDP數(shù)值代表的意義在于，它給PC系統(tǒng)廠商，散熱器制造商以及機(jī)箱廠商等提供了一個(gè)設(shè)計(jì)參考，也就是說他們?cè)谠O(shè)計(jì)一款產(chǎn)品時(shí)，需要考核這個(gè)產(chǎn)品滿足對(duì)應(yīng)的處理器的TDP，這樣才能保證在處理器滿負(fù)荷工作時(shí)提供足夠的散熱效率，保證處理器溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，從而令處理器穩(wěn)定工作。

不同處理器的TDP也不盡相同，這就說明即便都是同一代處理器產(chǎn)品，面向的用戶目標(biāo)群體不同的話，處理器本身的表現(xiàn)也不盡相同，需要的散熱系統(tǒng)也就不同——在同一代處理器中，TDP越高就意味著處理器可提供的性能越好，但功耗也就相對(duì)較大。

毋庸置疑的是，游戲發(fā)燒友們一貫追求高性能，以便獲得更出色的游戲體驗(yàn)。但另一個(gè)問題在于，對(duì)移動(dòng)計(jì)算甚至某些行業(yè)用戶來講，性能并非唯一需要考量的因素：商用客戶希望能有輕薄的筆記本支持越洋飛行；教育行業(yè)、網(wǎng)吧客戶需要精心核算電費(fèi)成本……這些用戶需要找到性能和功耗之間的平衡點(diǎn)，而這個(gè)平衡點(diǎn)也不盡相同——正因?yàn)槿绱?，廠商才會(huì)推出各種系列的處理器產(chǎn)品來滿足所有用戶的需求。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

無風(fēng)扇設(shè)計(jì)需要考量的因素有很多，并非簡單降低TDP功耗即可達(dá)成：首先，TDP功耗低于6W的設(shè)備才有可能采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)；其次，一味降低TDP功耗會(huì)導(dǎo)致性能嚴(yán)重失調(diào)，甚至無法滿足普通計(jì)算需求；再次，除了處理器之外，芯片組、顯示核心等組件都必須達(dá)到同樣的需求，這對(duì)整體功耗協(xié)調(diào)提出了挑戰(zhàn)；最后，這意味著從制程到微架構(gòu)，從核心部件到整體設(shè)計(jì)都需要全面考核。

細(xì)心的朋友可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)14nm和3D晶體管技術(shù)出現(xiàn)之后，無風(fēng)扇設(shè)計(jì)的設(shè)備才成為了可能。這是因?yàn)橹挥性诟泳艿闹圃旃に嚭透酉冗M(jìn)的晶體管技術(shù)支撐下，才能夠生產(chǎn)出性能滿足需求、功耗控制出色的SoC處理器——所謂SoC，即System On Chip，也就是說平臺(tái)所需的所有部件都位于一顆芯片上。

實(shí)現(xiàn)無風(fēng)扇設(shè)計(jì)

為了滿足無風(fēng)扇設(shè)計(jì)需求，需要對(duì)處理器進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，例如：

首先，減小芯片封裝尺寸。僅相當(dāng)于上一代產(chǎn)品63%的面積、0.5mm球形觸點(diǎn)間隙、170um的die和200um的核心封裝面積都能讓Core M處理器有更小的體積，從而能夠與更小的主板搭配使用，減少整個(gè)設(shè)備的體積和重量。

其次，在Skylake微架構(gòu)中提供有第二代整合穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，這讓處理器在低電壓狀態(tài)下有更好的能耗表現(xiàn)。非線性衰減控制技術(shù)通過增加電壓防護(hù)頻段，讓負(fù)載急劇切換時(shí)能夠保護(hù)處理器，而以往為了解決這個(gè)問題，只能通過增加電容或者將主板設(shè)計(jì)的更復(fù)雜才能達(dá)到同樣目的，因此非線性衰減控制技術(shù)能夠減少電容和簡化主板，這也為節(jié)能起到了關(guān)鍵作用。

再次，專門設(shè)計(jì)的3DL模塊。這是一個(gè)位于芯片底部的穩(wěn)定電路，3DL通過增大面積來減少厚度，并允許廠商自行根據(jù)整個(gè)芯片的形狀來設(shè)計(jì)主板，在很大程度上能夠定制自己的最終產(chǎn)品模型，便于設(shè)計(jì)出更輕薄、更個(gè)性化的移動(dòng)計(jì)算設(shè)備。

最后，顯示核芯引入了全新的DCC（Duty Cycle Contrl）占空比機(jī)制，DCC可以讓圖形核心工作在有效的范圍之內(nèi)，當(dāng)圖形核心不工作時(shí)還可將其關(guān)閉，同時(shí)降低功耗——DCC的引入讓能夠降低接近一半的功耗，或者在同樣功耗下提供超過26%的性能提升。

總之， Skylake微架構(gòu)可以讓厚度小于9mm的設(shè)備徹底擺脫風(fēng)扇，待機(jī)功耗的降低增強(qiáng)了電池續(xù)航能力，大幅度降低了功耗，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)還可提供出色的性能表現(xiàn)。

睿頻加速技術(shù)2.0

TurboBoost睿頻加速是指處理器可監(jiān)測處理核心工作狀態(tài)，如有空閑核心，則可將它們的功耗轉(zhuǎn)移至非空閑核心上，來提高非空閑核心的主頻，以獲取更高性能的技術(shù)。睿頻加速技術(shù)2.0相比1.0，加強(qiáng)了多核心加速的幅度，簡單說就是多個(gè)核心經(jīng)過睿頻2.0加速后，其主頻可提升至更高，處理性能、尤其是多任務(wù)處理時(shí)也就更好。

睿頻加速2.0技術(shù)通過處理器內(nèi)部的功耗控制單元檢測每一個(gè)核心的溫度、電流和功耗情況，并允許將正在處理任務(wù)的活動(dòng)核心加速到TDP功耗之上，當(dāng)然這個(gè)加速是短暫的，但能夠超越TDP限制意味著頻率提升幅度會(huì)更高，處理性能也就更強(qiáng)——可以理解為睿頻加速2.0技術(shù)允許處理核心短暫超越功耗限制來獲得更高性能，從而加速處理任務(wù)，提高效率來達(dá)到節(jié)能的目的。

此外，英特爾智能酷睿處理器中的核芯顯卡部分也支持該技術(shù)，不僅在顯示核心閑置時(shí)能夠提供額外的超頻空間給處理核心，還能夠反其道而行之，在處理核心相對(duì)空閑，而顯示核心工作時(shí)，將TDP超頻空間轉(zhuǎn)移給核芯顯卡，從而實(shí)現(xiàn)顯示核心的睿頻加速。

超線程技術(shù)

超線程技術(shù)是指通過特殊的硬件指令，讓一個(gè)物理核心能夠模擬出兩個(gè)核心，從而實(shí)現(xiàn)更多線程的并行計(jì)算，例如支持超線程技術(shù)的英特爾第六代智能酷睿雙核處理器，在運(yùn)算時(shí)會(huì)同時(shí)有4個(gè)線程在工作；而四核心處理器則會(huì)有8個(gè)線程在工作。

提升處理器的主頻和增加緩存容量是改善處理器性能最簡單粗暴的方式，但這勢必會(huì)帶來功耗方面的劇增——晶體管數(shù)量激增不僅對(duì)制造工藝和材料提出極高要求，更會(huì)降低執(zhí)行單元的利用率，還會(huì)導(dǎo)致處理器本身體積龐大、功耗驚人。超線程技術(shù)能夠解決這一問題，讓處理器發(fā)揮更大效率，而不必僅僅把精力放在提升主頻和緩存上，就可以提供出色的性能表現(xiàn)。

超線程技術(shù)為節(jié)能做出了貢獻(xiàn)——減少物理核心意味著削減功耗，超線程技術(shù)可以做到在物理核心數(shù)量更少、功耗更低、更節(jié)能的前提下，提供出色的性能。

高速智能緩存

緩存是處理器中的一種臨時(shí)存儲(chǔ)器，它的特點(diǎn)是容量小，但速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過內(nèi)存。緩存的作用在于能夠避免讓內(nèi)存稱為系統(tǒng)性能的瓶頸——如果沒有緩存，那么處理器在調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)只能訪問內(nèi)存，但處理器和內(nèi)存之間的速度差異過大，因此會(huì)造成處理器有相當(dāng)長的等待時(shí)間。引入緩存之后，處理器可以通過緩存這個(gè)“中轉(zhuǎn)站”來訪問數(shù)據(jù)，由于緩存速度快，因此內(nèi)存速度的瓶頸問題就得到了解決。

高速智能緩存是Skylake微架構(gòu)中又一個(gè)重要特性：首先，英特爾為高速智能緩存提供了先進(jìn)的預(yù)讀取算法，這極大提高了處理核心調(diào)用數(shù)據(jù)的“命中率”；其次，高速智能緩存并非為某一個(gè)核心單獨(dú)定制，它可以被任何核心全權(quán)動(dòng)態(tài)支配，也就是說當(dāng)某一個(gè)處理核心當(dāng)前對(duì)緩存的利用率較低時(shí)，其他核心可以動(dòng)態(tài)增加占用緩存的比例，甚至于當(dāng)某個(gè)內(nèi)核空閑沒有工作時(shí)，全部高速智能緩存都可以被其他核心調(diào)用。最后，這種智能也意味著處理器可以根據(jù)自身運(yùn)行條件，來關(guān)閉部分緩存來降低功耗。

為什么緩存和功耗之間有著必然關(guān)聯(lián)呢？這是因?yàn)榫彺姹旧砭褪怯纱罅烤w管組成的，只要有晶體管和相關(guān)電路存在，就意味著功耗的產(chǎn)生。事實(shí)上，我們?？吹降臄?shù)據(jù)，例如某某處理器中有17億個(gè)晶體管等等，這些晶體管中絕大部分都是緩存，處理核心所用的晶體管數(shù)量反而只是一小部分。那么既然緩存占用了大量晶體管，就意味著會(huì)有較大功耗產(chǎn)生——要么讓全部緩存都做到物盡其用，要么在空閑時(shí)能夠關(guān)閉，這也正滿足了提供更出色性能、在滿足性能條件下提供更低功耗的節(jié)能定義。

Skylake微架構(gòu)讓全新處理器滿足了節(jié)能的兩方面含義：在與上一代產(chǎn)品提供相同性能表現(xiàn)的前提下，功耗極大降低；在功耗表現(xiàn)與上一代產(chǎn)品相同的前提下，性能得到了極大增強(qiáng)。這意味著現(xiàn)在用戶可以選擇基于英特爾第六代智能酷睿處理器（Skylake）的設(shè)備，在保證性能的前提下，降低功耗從而為節(jié)能做出貢獻(xiàn)；或者選擇同樣功耗的處理器產(chǎn)品，來獲取更強(qiáng)悍的性能，從而提高工作效率，完成同樣任務(wù)的時(shí)間更短，能源消耗自然也就更低?！?/p>