姓名：孫賓
學號：17011210280
學院：通信工程學院
轉自微信公眾號：EDA電子技術設計
【嵌牛導讀】想要提高CPU的運算效能，不能夠簡單通過堆砌內核的方式颜骤。
【嵌牛鼻子】CPU,頻率
【嵌牛提問】能不能簡單提高CPU主頻唧喉，讓CPU每個內核更快的算出結果呢？為什么持CPU制程牛耳的Intel忍抽，不再勇攀主頻高峰了呢欣喧？
【嵌牛正文】
為什么CPU會發(fā)熱
從含有1億4000萬個場效應晶體管FET的奔騰4到高達80多億的Kabylake，Intel忠實的按照摩爾定律增加著晶體管的數(shù)目梯找。這么多個FET隨著每一次的翻轉都在消耗者能量唆阿。一個FET的簡單示意圖如下：
當輸入低電平時，CL被充電锈锤，我們假設a焦耳的電能被儲存在電容中驯鳖。而當輸入變成高電平后，這些電能則被釋放久免，a焦耳的能量被釋放了出來浅辙。因為CL很小，這個a也十分的小阎姥，幾乎可以忽略不計记舆。但如果我們以1GHz頻率翻轉這個FET，則能量消耗就是a × 10^9呼巴，這就不能忽略了泽腮，再加上CPU中有幾十億個FET，消耗的能量變得相當可觀衣赶。
耗能和頻率的關系
從圖示中诊赊，也許你可以直觀的看出，能耗和頻率是正相關的府瞄。這個理解很正確碧磅，實際上能耗和頻率成線性相關。能耗關系公示是：
P代表能耗遵馆。C可以簡單看作一個常數(shù)鲸郊，它由制程等因素決定；V代表電壓货邓；而f就是頻率了秆撮。理想情況，提高一倍頻率逻恐，則能耗提高一倍像吻【颍看起來并不十分嚴重，不是嗎拨匆？但實際情況卻沒有這么簡單姆涩。
我們這里要引入門延遲（Gate Delay）的概念。簡單來說惭每，組成CPU的FET充放電需要一定時間骨饿，這個時間就是門延遲。只有在充放電完成后采樣才能保證信號的完整性台腥。而這個充放電時間和電壓負相關宏赘，即電壓高，則充放電時間就短黎侈。也和制程正相關察署，即制程越小，充放電時間就短峻汉。讓我們去除制程的干擾因素贴汪，當我們不斷提高頻率f后，過了某個節(jié)點休吠，太快的翻轉會造成門延遲跟不上扳埂，從而影響數(shù)字信號的完整性，從而造成錯誤瘤礁。這也是為什么超頻到某個階段會不穩(wěn)定阳懂，隨機出錯的原因。那么怎么辦呢柜思？聰明的你也許想到了超頻中常用的辦法：加壓岩调。對了，可以通過提高電壓來減小門延遲酝蜒，讓系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來誊辉。
讓我們回頭再來看看公式，你會發(fā)現(xiàn)電壓和功耗可不是線性相關亡脑，而是平方的關系！再乘以f邀跃，情況就更加糟糕了霉咨。我們提高頻率，同時不得不提高電壓拍屑，造成P的大幅提高途戒！我們回憶一下初中學過的y=x^3的函數(shù)圖：
Y在經(jīng)過前期緩慢的提高后在a點會開始陡峭的上升。這個a就是轉折點僵驰，過了它喷斋，就劃不來了唁毒。功耗和頻率的關系也大抵如此，我們看兩個實際的例子：
i7-2600K頻率和功耗的關系
Exynos頻率和功耗的關系
從ARM和X86陣營來看星爪，他們能耗曲線是不是和冪函數(shù)圖很像浆西？
不可忽視的其他因素
現(xiàn)實情況比這個更復雜。實際上顽腾，上面公式里的P只是動態(tài)能耗近零。CPU的整體功耗還包括短路功耗和漏電功耗：
短路功耗是在FET翻轉時，有個極短時間會有電子直接跑掉抄肖。它和電壓久信、頻率正相關。
漏電功耗是電子穿透MOSFET的泄漏情況漓摩，它和制程與溫度有關裙士。
綜合這些，我們看一個實際的例子：
這里的Transition Power就是動態(tài)能耗管毙，可以看出它隨著頻率陡峭上升潮售；短路功耗和頻率幾乎呈現(xiàn)線性關系；而Static power就是指漏電功耗锅风，它也上升是因為頻率上升導致溫度上升酥诽，從而漏電加重。
我們這里引入熱密度的概念皱埠，即單位面積發(fā)出熱的數(shù)量肮帐。從此圖看出，隨著頻率的提高边器，各種因素綜合疊加導致功耗上升嚴重训枢，而芯片尺寸不變，從而熱密度提高很快忘巧，現(xiàn)有散熱設備短時間內排不出這么多熱量恒界，就會造成死機等現(xiàn)象。這也是為什么超頻往往需要很好的散熱設備的原因砚嘴。
我們最后開一個腦洞：假設沒有散熱問題十酣，沒有門延遲，一個完美的世界里际长，頻率有上限嗎耸采？這是個很有意思的思考。大家都知道電信號在導線里的傳播速度很快工育，接近光速虾宇。我們這里就取光速：每秒30萬公里。相信每個略微了解相對論的人都知道光速是物理極限如绸，我們這里不討論科幻問題嘱朽。因為沒有門延遲旭贬，電信號以光速傳播。光速搪泳，這個數(shù)字很大稀轨，但我們的頻率可是以G為單位，就是10^9森书，也非常大靶端。在1GHz的情況下，電信號只能傳播30cm凛膏！10GHz的話杨名，才能傳播3cm。晶圓大小是300mm猖毫，如果我們做出個和它一樣大的CPU台谍，也許最高頻率只有1GHz。而現(xiàn)在CPU的die大小差不多1cm吁断，所以理論上30GHz是極限頻率趁蕊！
結論
經(jīng)由液氮制冷的加持，CPU的頻率在極限玩家的幫助下才能挑戰(zhàn)9GHz仔役。這對于我們日常電腦用戶來說十分遙遠掷伙，在可以預見的未來，CPU頻率因為熱密度的關系并不會大幅提高又兵，我們可能永遠也看不到10GHz的硅基CPU任柜。也許只有在拋棄硅或者轉換到量子計算，CPU頻率才會有翻天覆地的變化沛厨。
這并不意味著CPU效能的止步不前宙地，實際上目前的CoffeeLake 3.8G的CPU相比奔騰4的3.8G，Benchmark跑下來效能提高了十幾倍逆皮，而功耗反倒下降不少宅粥！這全拜改進架構的福。在吸取了基于netburst深度流水來提高主頻电谣，卻被“譽為”高頻低能的奔騰4教訓后秽梅，這也是Intel等芯片制造商努力的方向。
