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CPU功耗和实际功耗之间的关系

当CPU的散热设计功耗(TDP: Thermal Design Power) 值最主要是提供给计算机系统厂商，散热片/风扇厂商，以及机箱厂商等等进行系统时使用的。因为TDP的值表明，对应系列CPU 的最终版本在满负荷(CPU 利用率为100%的理论上)可能会达到的最高散热热量。但是，TDP值并不等同于CPU的实际功耗，更没有算术关系。　　CPU的实际功耗没有捷径获得，只能实际测试。实际功耗对最终用户才有意义。
　　下图是英特尔公司中国应用设计中心(ADC) 设计的测试PC 功耗的简单工具
　　对于一个系列的CPU，英特尔一般给出一个整体的TDP值，不会为每个系列的不同型号的CPU提供不同的TDP值，所以大家可以看到一大批不同型号的CPU都通用一个TDP值。例如，英特尔已经发布的酷睿2 双核 6xxx 系列，4xxx 系列和奔腾双核 2xxx 系列，甚至这些系列后续的新型号，提供的散热设计功耗(TDP)值都为65W，CPU的主频跨度从1.6GHz 到3.0GHz，甚至将来更高主频的产品。难道这些CPU的理论最高散热功耗都为65W(瓦)?不是的。只有将来最高性能的型号在满负荷的时候可能会达到这个值。
　　为什么要这么做呢?为了方便系统的设计以及厂商对部件物料的管理。因为散热片/风扇/机箱厂商以及计算机系统厂商只要设计或采用一套可以帮助CPU散热达到65W的方案，就可以在系统中采用符合TDP 65W的所有CPU。否则，TDP值分的过细，厂商在管理部件上就太纷杂了，要为每一个型号的CPU配备贴切的散热片/风扇/机箱，为20种型号的CPU准备20种物料?好像没有人愿意这么做。
　　最终用户关注的是CPU的实际功耗，但是实际功耗和实际的应用联系在一起，而且和CPU采用的节能技术密切相关，所以无法得到统一的结果，即使有也是典型应用的实际测试值。另外，CPU不能单独工作，必须和系统在一起的，所以我个人的意见还是要看系统的整体功耗，它才对最终用户才有实际意义。例如，一个极端的例子，如果花很多精力在降低计算机内部各个部件的能耗，可是忘了选择一个高转换效率的机箱电源，如果这个电源输入功率为300W(瓦),但是交流到直流的转换效率只有50%，那么有一半的功耗在转换过程中就浪费掉了。150瓦呀，不是个小数字!
　　从TDP是得不出CPU的实际功耗的，用计算机内部各个部件的TDP值相加得出整个系统的功耗，逻辑上似乎没有任何问题，事实上这项“创举”已经变成业界的笑谈。
　　CPU的实际功耗应该等于=实际输入CPU的电流(A)× CPU的实际电压(V)，它是供电电压和电流的乘积。最好的办法是用精密的功率工具去测试。
　　下图是上面说明的PC功耗测试工具的连接示意图
　　另外，笼统地计算一个CPU在一个昼夜24小时反复运行一组程序，然后计算累计功耗，是非常误导的测试，因为一个高能效的CPU，可以在相同的时间完成更多的工作。
　　所以，CPU的实际功耗测试应该是用一组统计出来的程序组合，模拟人们使用计算机的习惯让计算机运行，如办公场景，典型的测试软件为SysMark，家用环境为PCMark，建议用最新的版本。
　　这样，性能好节能效果好的CPU，就可以在更短的时间内完成任务，依次进入等待，空闲，休眠，深度休眠等节能状态。例如，同样一段高清影片的压缩，高性能的CPU可以在5分钟完成，差的CPU需要10分钟完成。提前完成工作的CPU可以做别的工作，或者在剩下的5分钟处于低负荷的运行状态——CPU利用率低，系统功耗就小，甚至进入休眠。对于需要10分钟完成的CPU，后5分钟还是需要让CPU处于高负荷的运行状态，整个系统都需要处于相对高负荷的状态，由此可见能耗是无法和高性能的CPU相比的。
　　采用最新工艺，最新架构和最新的节能技术的CPU，都是厂商追求的目标，因为只有这些新技术可以确保高性能低能耗技术的实现。例如，从65纳米转向45纳米，每个晶体管可以减低5倍以上的漏电流，每个晶体管性能提高20%以上，驱动电量下降30%以上。如果晶体管的数量上数亿个，能节省的功耗就非常可观了。
　　采用这些新技术，就是要让更多的功耗用于CPU实际的运算中。这就好比日光灯和白炽灯，前者电-光转换效率高达80% 以上，不到20%转换为热，白炽灯电-光转换效率为50%，有一半转化为热量了，热量不是我们要的，白白浪费了。所以同样是60瓦的日光灯，要比60瓦的白炽灯亮多了，手摸上去也是温温的，而日炽灯会烫手的。这就是现在节能灯都是日光灯的原因吧。
　　用户对CPU性能的提升是没有止境的，英特尔公司面临的挑战还是：在不断提高性能的同时，控制能耗不变甚至降低能耗，如何解决芯片单位面积热密度不断提到的业界难题等等。

发布日期：2019/11/23

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