生來節能Skylake微架構

王欣

Tick Tock從時鐘指針發出的聲響得來，英特爾非常形象地用這種指針前進方式來隱喻自己在半導體領域的發展節奏：每一次Tick代表著同一代微架構下，更新處理器制程（即制造工藝），從而達到縮小芯片面積、減小能耗和發熱量的目的；每一次Tock代表著同一代制程下，更新處理器微架構，從而實現處理器性能的提升，進而提升能效。

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

隨著社會的不斷進步與科學技術的不斷發展，越來越多的國家充分認識到了環境對人類發展的影響。各國都在采取積極有效的措施改善環境，減少能源消耗，因此節能是最關鍵、也是最直接有效的重要措施，同時也是中國可持續發展的一項長遠戰略，是我國的基本國策——由此可見節能的重要性。事實上，我國不僅針對節能制定了十二五規劃，更是從政策方面給予了全力支持！

英特爾發布的新一代處理器有著 “生來節能”的優秀特性，可同時滿足節能在兩方面的含義，這與其Skylake微架構息息相關。

Tick Tock鐘擺戰略

Tick Tock從時鐘指針發出的聲響得來，英特爾非常形象地用這種指針前進方式來隱喻自己在半導體領域的發展節奏：每一次Tick代表著同一代微架構下，更新處理器制程（即制造工藝），從而達到縮小芯片面積、減小能耗和發熱量的目的；每一次Tock代表著同一代制程下，更新處理器微架構，從而實現處理器性能的提升，進而提升能效。

英特爾Tick Tock戰略路線圖

Tick Tock的周期為兩年：偶數年為制程更新年（Tick），奇數年為架構更新年（Tock），這種交錯縱橫的更新節奏更加有利于處理器芯片的有效發展。

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

14nm制程和3D晶體管技術

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、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更復雜，從而性能也就更好；或者是在同樣的性能表現下，制程越先進，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的直接標準：nm數越小，就意味著元器件、晶體管以及連接電路的精密度越高，Skylake微架構便基于14nm制程。

3D晶體管技術

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

獲得如此至高評價并非空穴來風：在材料和制程都有了革命性改變的前提下，傳統2D晶體管本身的結構已經成為阻礙電子學發展的絆腳石，我們不妨以一張圖來說明問題。

我們先花費一點點文字講述一下處理器的工作原理：由于晶體管具有開關特性，其開啟（電流通過）和關閉（電流阻斷）正好能夠對應二進制中的0和1，而計算機則是基于二進制算法的設備，因此處理器中需要大量的晶體管來完成指令和數據的處理。從上圖中不難看出，傳統2D晶體管的柵極（柵極可以理解為晶體管的閘門）控制在通過電流時效率較低，阻斷電流時又會有較高漏電流產生，這意味著能量的無謂消耗；3D晶體管則采用了一個薄得難以想象的三維硅鰭片取代了傳統2D晶體管上的柵極，且3D晶體管鰭片的三個面都帶有柵極，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時盡可能減少漏電流，體現到處理器上就是能夠極大提升性能，同時還可以大幅度降低功耗。

制程和晶體管技術相輔相成，如果沒有先進的制程，那么晶體管技術只能是紙上談兵——很難想象基于32nm制程的3D晶體管達到十數億級別后，處理器將會是何種樣子。基于14nm制程的第二代3D晶體管技術與第一代3D晶體管技術相比，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，實現更強性能；同時第二代3D晶體管還有更高更細的鰭片來提升驅動電流和性能，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，以達到節省功耗的目的——這正契合了節能概念的兩重含義。

晶體管不僅用于處理核心和圖形核心，更是緩存的基石，因此先進的制程和晶體管技術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，從而令整個處理器性能得到大幅提升；相應的，這也意味著如果縮小芯片面積，那么不僅能夠降低功耗，實現節能，同時也不會令性能打折扣。

節能-無風扇設計之旅

在第六代智能酷睿處理器家族中，尾號為Y的處理器被單獨劃歸至全新的處理器子品牌——Core M、酷睿M處理器。酷睿M處理器最大的特點便是能極大降低功耗，其實際功耗低至4W，以至于基于酷睿M處理器的設備根本無需散熱系統支持，從而取消了風扇，進一步節能。

無風扇設計

如果說筆記本電腦的誕生解決了人們對移動計算的需求的話，那么無風扇設計可謂是CPU節能設計的終極目標。在大約10年前，人們對超便攜筆記本電腦的概念是重量不超過2.5公斤，續航能力在3-4小時左右，這個數字換到現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），隨著處理器技術的不斷演進，筆記本的輕薄記錄也在不斷被打破，與此同時，至關重要的性能和電池續航能力也不斷提升——現在，重量不足1公斤，性能滿足日常使用需求，續航能力可支撐全天計算的設備比比皆是。

TDP功耗

TDP是英文 “Thermal Design Power”的縮寫，字面意思是 “散熱設計功耗”。TDP數值代表的意義在于，它給PC系統廠商，散熱器制造商以及機箱廠商等提供了一個設計參考，也就是說他們在設計一款產品時，需要考核這個產品滿足對應的處理器的TDP，這樣才能保證在處理器滿負荷工作時提供足夠的散熱效率，保證處理器溫度在設計范圍內，從而令處理器穩定工作。

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品，面向的用戶目標群體不同的話，處理器本身的表現也不盡相同，需要的散熱系統也就不同——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，但功耗也就相對較大。

毋庸置疑的是，游戲發燒友們一貫追求高性能，以便獲得更出色的游戲體驗。但另一個問題在于，對移動計算甚至某些行業用戶來講，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、網吧客戶需要精心核算電費成本……這些用戶需要找到性能和功耗之間的平衡點，而這個平衡點也不盡相同——正因為如此，廠商才會推出各種系列的處理器產品來滿足所有用戶的需求。

設計挑戰

無風扇設計需要考量的因素有很多，并非簡單降低TDP功耗即可達成：首先，TDP功耗低于6W的設備才有可能采用無風扇設計；其次，一味降低TDP功耗會導致性能嚴重失調，甚至無法滿足普通計算需求；再次，除了處理器之外，芯片組、顯示核心等組件都必須達到同樣的需求，這對整體功耗協調提出了挑戰；最后，這意味著從制程到微架構，從核心部件到整體設計都需要全面考核。

細心的朋友可以發現，當14nm和3D晶體管技術出現之后，無風扇設計的設備才成為了可能。這是因為只有在更加精密的制造工藝和更加先進的晶體管技術支撐下，才能夠生產出性能滿足需求、功耗控制出色的SoC處理器——所謂SoC，即System On Chip，也就是說平臺所需的所有部件都位于一顆芯片上。

實現無風扇設計

為了滿足無風扇設計需求，需要對處理器進行技術上的改進，例如：

首先，減小芯片封裝尺寸。僅相當于上一代產品63%的面積、0.5mm球形觸點間隙、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，減少整個設備的體積和重量。

其次，在Skylake微架構中提供有第二代整合穩壓設計，這讓處理器在低電壓狀態下有更好的能耗表現。非線性衰減控制技術通過增加電壓防護頻段，讓負載急劇切換時能夠保護處理器，而以往為了解決這個問題，只能通過增加電容或者將主板設計的更復雜才能達到同樣目的，因此非線性衰減控制技術能夠減少電容和簡化主板，這也為節能起到了關鍵作用。

再次，專門設計的3DL模塊。這是一個位于芯片底部的穩定電路，3DL通過增大面積來減少厚度，并允許廠商自行根據整個芯片的形狀來設計主板，在很大程度上能夠定制自己的最終產品模型，便于設計出更輕薄、更個性化的移動計算設備。

最后，顯示核芯引入了全新的DCC（Duty Cycle Contrl）占空比機制，DCC可以讓圖形核心工作在有效的范圍之內，當圖形核心不工作時還可將其關閉，同時降低功耗——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微架構可以讓厚度小于9mm的設備徹底擺脫風扇，待機功耗的降低增強了電池續航能力，大幅度降低了功耗，在實現節能的同時還可提供出色的性能表現。

睿頻加速技術2.0

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

睿頻加速2.0技術通過處理器內部的功耗控制單元檢測每一個核心的溫度、電流和功耗情況，并允許將正在處理任務的活動核心加速到TDP功耗之上，當然這個加速是短暫的，但能夠超越TDP限制意味著頻率提升幅度會更高，處理性能也就更強——可以理解為睿頻加速2.0技術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，提高效率來達到節能的目的。

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，不僅在顯示核心閑置時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，在處理核心相對空閑，而顯示核心工作時，將TDP超頻空間轉移給核芯顯卡，從而實現顯示核心的睿頻加速。

超線程技術

超線程技術是指通過特殊的硬件指令，讓一個物理核心能夠模擬出兩個核心，從而實現更多線程的并行計算，例如支持超線程技術的英特爾第六代智能酷睿雙核處理器，在運算時會同時有4個線程在工作；而四核心處理器則會有8個線程在工作。

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，但這勢必會帶來功耗方面的劇增——晶體管數量激增不僅對制造工藝和材料提出極高要求，更會降低執行單元的利用率，還會導致處理器本身體積龐大、功耗驚人。超線程技術能夠解決這一問題，讓處理器發揮更大效率，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。

超線程技術為節能做出了貢獻——減少物理核心意味著削減功耗，超線程技術可以做到在物理核心數量更少、功耗更低、更節能的前提下，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存儲器，它的特點是容量小，但速度遠遠超過內存。緩存的作用在于能夠避免讓內存稱為系統性能的瓶頸——如果沒有緩存，那么處理器在調用數據時只能訪問內存，但處理器和內存之間的速度差異過大，因此會造成處理器有相當長的等待時間。引入緩存之后，處理器可以通過緩存這個“中轉站”來訪問數據，由于緩存速度快，因此內存速度的瓶頸問題就得到了解決。

高速智能緩存是Skylake微架構中又一個重要特性：首先，英特爾為高速智能緩存提供了先進的預讀取算法，這極大提高了處理核心調用數據的“命中率”；其次，高速智能緩存并非為某一個核心單獨定制，它可以被任何核心全權動態支配，也就是說當某一個處理核心當前對緩存的利用率較低時，其他核心可以動態增加占用緩存的比例，甚至于當某個內核空閑沒有工作時，全部高速智能緩存都可以被其他核心調用。最后，這種智能也意味著處理器可以根據自身運行條件，來關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聯呢？這是因為緩存本身就是由大量晶體管組成的，只要有晶體管和相關電路存在，就意味著功耗的產生。事實上，我們常看到的數據，例如某某處理器中有17億個晶體管等等，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，就意味著會有較大功耗產生——要么讓全部緩存都做到物盡其用，要么在空閑時能夠關閉，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能定義。

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