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📜 本章目录：

0x00 动态功耗（Dynamic Power）

0x01 集成电路成本（Integrated Circuit Cost）

0x02 基准测试（SPEC CPU Benchmark）

0x03 SPEC功率基准测试（SPEC Power Benchmark）

0x04 Pitfall：Amdahl’s 定律

0x05 Pitfall：将 MIPS 作为性能指标

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0x00 动态功耗（Dynamic Power）

电力趋势（Power Trends）

芯片在工作时晶体管处于跳变状态所产生的功耗，我们称之为 动态功耗 (Dynamic Power)。

在 CMOS 集成电路技术方中，动态功耗计算：功率 = 电容性负载 × 电压^2 × 频率

Capacitive load 为电容性负载，当 Frequency 增大时，可以减少 Voltage 降低功耗。

然而，当 Voltage 持续减小到一定程度，再减小将会导致静态功耗增大，无法有效散热。

The power wall：我们无法进一步降低电压，我们无法消除更多的热量。

⚡ 简化记忆：

Reducing Power：我们假设一个新的 CPU ，比旧 CPU 的 85% 的电容性负载 (capacitive load)，

电压 (voltage) 降低15%，频率 (frequency) 降低 15。那么 根据公式 

Suppose a new CPU has 80% of capacitive load of old CPU and 10% valtage reduction. How much power reduction with new CPU?

Old CPU  Voltage: 5.3V    ClockRate 1GHz

New CPU Voltage: 3V      ClockRate 2GHz

动态功耗主要包括两部分，即动态开关功耗（）和短路功耗（）。

动态开关功耗是在逻辑门进行开关事件时产生的功耗，即在 CMOS 逻辑门输出节点电压在逻辑转换过程中由于充电和放电引起的功耗。

在充电过程中，输出节点电压从 0 到  完全转换，其中一半的能量会以热的形式在 PMOS 管导通时被消耗，从而形成动态开关功耗。因此，动态功耗主要由逻辑门的输出电容引起。

另一方面，当 CMOS 逻辑门在有限的上升沿和下降沿（slew）输入电压的驱动下进行开关时，PMOS 和 NMOS 晶体管会在短时间内同步导通，从而在电源和地之间形成一条直流通路，产生短路功耗，这部分功耗被称为短路功耗（PSC）。

需要注意的是，这只是计算 CPU 动态功耗的一个简化公式，实际情况可能会更加复杂，因为现代CPU在设计上会包含更多的功耗管理技术和优化措施，例如动态电压频率调整（DVFS）、体系结构层面的功耗优化等。因此，在实际应用中，需要考虑更多因素来准确估计 CPU 的动态功耗。

0x01 集成电路成本（Integrated Circuit Cost）

与面积和缺陷率的非线性关系：晶片成本和面积是固定的，缺陷率由制造工艺决定，晶片面积由结构和电路设计决定。

0x02 基准测试（SPEC CPU Benchmark）

用来衡量性能的程序，是实际工作负荷的典型代表。标准性能评估公司(SPEC)：开发CPU、I/O、网络等方面的基准。SPEC CPU2006：

• 执行部分程序所需的时间
• 可忽略I/O，因此重点关注CPU性能
• 相对于参考机器进行归一化
• 总结为性能比的几何平均值
• CINT2006（整数）和CFP2006（浮点）

  用于 Opteron X4 2356 的 CINT2006：

  

  0x03 SPEC功率基准测试（SPEC Power Benchmark）

  不同工作负荷水平下的服务器耗电量，性能：ssj_ops / sec，功率： 瓦特 (焦耳/秒)

  

  X4 的 SPEC power_ssj2008：

  

  0x04 Pitfall：Amdahl’s 定律

  Amdahl's Law（阿姆达尔定律）是一种计算性能的定律，用于衡量在提升计算系统性能时，对某一部分进行优化的效果。它由计算机科学家 Gene Amdahl 在1967年提出，被广泛应用于计算系统的设计和性能优化。

  改进计算机的一个方面，并期望在整体性能上有相应的改善：

  

  💬 例子：multiply accounts for 80s/100s，How much improvement in multiply performance to get 5× overall?

  

  Can't be done！

  谬误： 闲置时的低功率

  回顾一下X4的功率基准：在100%的负载下： 295W，在50%的负载下： 246W (83%)，在10%的负载下： 180W (61%)。

  谷歌数据中心：大多在10%-50%的负载下运行，在100%的负载下，不到1%的时间。

  考虑设计处理器以使功率与负载成正比

  0x05 Pitfall：将 MIPS 作为性能指标

  在计算机体系结构和处理器设计中，MIPS（Million Instructions Per Second）是一种常用的性能指标，用于衡量处理器的性能。MIPS表示在一秒钟内能够执行的百万条指令数，因此MIPS值越高，表示处理器在单位时间内执行的指令越多，性能越高。

  MIPS： 百万条指令每秒（Millions of Instructions Per Second）

  不考虑：计算机之间ISA的差异、指令之间的复杂性差异。

  

  

  （在一个特定的 CPU 上，不同的程序的 CPI 是不同的）

  然而，需要注意的是，MIPS并不是唯一的性能指标，它只关注处理器执行指令的速度，而忽略了其他因素，如处理器的微架构、流水线深度、缓存层次结构、并行度等对性能的影响。因此，在实际应用中，综合考虑多个性能指标，如 IPC（Instructions Per Cycle）、CPI（Cycles Per Instruction）、时钟频率、功耗等，可以更全面地评估处理器的性能。

  

  📌 [ 笔者 ]   王亦优
  📃 [ 更新 ]   2022.4.25
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  📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
                本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！

  📜 参考资料  C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . 百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

   
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