節(jié)能高效的Skylake微架構(gòu)CPU

英特爾第六代微處理器架構(gòu)Skylake，業(yè)界對它有很高的期望：按照此前英特爾的介紹，它應(yīng)該更強(qiáng)大，同時(shí)更節(jié)能。在其他配置相同的情況下，與使用Broadwell微架構(gòu)處理器的系統(tǒng)相比，配備Skylake微架構(gòu)處理器的筆記本電腦播放電影的時(shí)間應(yīng)該能夠延長一小時(shí)，并且能夠提供更高品質(zhì)的畫面。為了能夠兌現(xiàn)這些承諾，英特爾在新的微處理器架構(gòu)中采用了一系列新的節(jié)能功能，優(yōu)化主要集中在兩部分：第一部分影響所有配備Skylake微架構(gòu)處理器的設(shè)備，并且與所使用的軟件無關(guān)，而另一部分的節(jié)能功能比較特殊，僅適用于Windows 10的用戶。

CPU的硬件優(yōu)化

Skylake微架構(gòu)依賴于少數(shù)的既定程序來實(shí)現(xiàn)處理器內(nèi)部的節(jié)能功能，其中之一是，關(guān)閉不需要的，也就是所謂的“電源門控”，它可以切斷閑置部件的電源，其作用類似于配電盤上的切換開關(guān)。Skylake微架構(gòu)安裝許多小功率柵極晶體管，負(fù)責(zé)判斷CPU上的特殊功能單元是否被使用，對特定的電源域進(jìn)行管理。例如，如果不需要復(fù)雜的高級矢量擴(kuò)展的浮點(diǎn)計(jì)算，那么CPU將完全停用它們。

按照“少即是多”的原則，Skylake微架構(gòu)將L2高速緩存從之前處理器的8路關(guān)聯(lián)減少至目前的4路，得益于帶寬的提升，L2高速緩存關(guān)聯(lián)性的降低并不會對性能產(chǎn)生任何不良影響，但確確實(shí)實(shí)起到了節(jié)能的目的。另外，在Broadwell微架構(gòu)處理器上內(nèi)置的電壓轉(zhuǎn)換器已經(jīng)被重新移到了主板上，這可以有效地防止CPU過熱。除此之外，在Skylake微架構(gòu)下，諸如視頻編碼之類的計(jì)算操作將可以通過GPU等硬件進(jìn)行處理，例如H.265視頻的解碼等任務(wù)將可以交給集成的GPU。這不僅更有效率，同時(shí)也可以起到節(jié)省電力的目的。

上述節(jié)電功能與結(jié)合Windows 10實(shí)現(xiàn)的節(jié)能功能相比顯得比較普通，結(jié)合Windows 10的節(jié)能功能中最重要的是英特爾動(dòng)態(tài)節(jié)能技術(shù)Speed Step的繼任者Speed Shift，從Build 10586版本開始該功能已經(jīng)被集成到Windows 10中，它主要用于控制處理器的時(shí)鐘頻率，與此前的版本相比，兩者之間的差異主要在于誰來控制CPU的時(shí)鐘頻率，是CPU還是操作系統(tǒng)？處理器通過施加電壓來決定CPU的時(shí)鐘頻率，控制CPU工作在各種不同的性能狀態(tài)（P-狀態(tài)）。P0（性能狀態(tài)0）是全速（Turbo），從P1、P2至Pn逐級降低。如果CPU處于空閑狀態(tài)，那么CPU將降低電壓，將時(shí)鐘頻率下降至Pn。如果一個(gè)程序?qū)τ谶\(yùn)算能力有需求，那么CPU可以在大約30ms的時(shí)間內(nèi)迅速地調(diào)整性能狀態(tài)。而當(dāng)操作系統(tǒng)控制CPU時(shí)鐘頻率時(shí)，操作系統(tǒng)將掌控P1和Pn之間的所有性能狀態(tài)，CPU只負(fù)責(zé)控制最高一級（P0）。通過Speed Shift動(dòng)態(tài)節(jié)能技術(shù)，Windows 10通過CPU來實(shí)現(xiàn)控制，Windows并不獨(dú)立地確定P狀態(tài)，而是簡單地根據(jù)需求的大小給出指示，由CPU判斷需要的時(shí)鐘頻率。Speed Shift這種結(jié)合兩者的方法比Speed Step的操作要快很多，從一個(gè)性能狀態(tài)轉(zhuǎn)向下一個(gè)性能狀態(tài)只需1ms。系統(tǒng)能夠以更高的速度做出響應(yīng)，增加用戶的感知力之余，還可以節(jié)省電力，因?yàn)橄到y(tǒng)可以更快地切換到節(jié)能狀態(tài)。為了確保與CPU的完美結(jié)合，Windows 10提供一個(gè)能源估算引擎（Energy Estimation Engine），它能夠不斷地分析能源消耗的情況和使用這些數(shù)據(jù)估算功耗和剩余的運(yùn)行時(shí)間。

與Windows 10完美協(xié)調(diào)

與Windows 10相關(guān)的另一個(gè)新的節(jié)能功能是Duty Cycle，它的原理是，空閑或者處理低負(fù)荷的任務(wù)時(shí)不再保持著較低的時(shí)鐘頻率工作，因?yàn)檫@會給用戶一種系統(tǒng)工作狀態(tài)不佳的感覺，而是在需要工作時(shí)迅速地將處理器（可能持續(xù)800μs）切換到一個(gè)較高的時(shí)鐘頻率，完成需要處理的任務(wù)，并在空閑時(shí)完全關(guān)閉。這種工作方式不僅能以更快的速度完成任務(wù)，而且與空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率的工作方式相比更節(jié)省電力。

對于幾乎從不關(guān)閉設(shè)備的用戶來說待機(jī)是一個(gè)很重要的功能，對于該功能，Skylake微架構(gòu)下Windows 10可以提供一些新的選項(xiàng)。微軟的待機(jī)技術(shù)稱為“Modern standby”，它有3種不同的模式：其一是眾所周知的S3模式（掛起到內(nèi)存，Suspend to RAM）以及Windows 8開始使應(yīng)用程序處于暫停狀態(tài)卻能保持網(wǎng)絡(luò)連接的所謂“連接待機(jī)”（Connected standby），在這種狀態(tài)下Windows消耗的電力非常少，但喚醒的速度極快，而且待機(jī)狀態(tài)下甚至可以接收信息。而在Skylake微架構(gòu)下，還可以支持“斷開連接待機(jī)”（Disconnected Standby）模式，它的喚醒速度非常快（500ms），與“連接待機(jī)”不同，它不需要固態(tài)硬盤或主板上的任何特殊的網(wǎng)絡(luò)硬件。