能屈能伸 英特尔睿频加速技术深度解析

管中窥豹—睿频加速技术探究

从上文得知，英特尔通过定义新的电源管理状态，实现了自动超频。那么具体到CPU电路上，自动超频是如何实现的呢，这是我们要探讨的问题。要深入地了解睿频加速技术的工作原理，就要先来看CPU的基本工作原理和超频。

我们知道现在的CPU的核心DIE都是以硅为基板，以铜为导线，CPU中基本的单位为三极管。从工艺上来说，CPU的工艺一般分为CMOS(采用MOSFET管)和biCMOS(采用bipolar管)。对于MOSFET来说，在P型或N型衬底上设置两个距离接近、与衬底极性相反的区域，构成源极和漏极。并在此区域形成一层极薄的氧化硅绝缘层，覆上电极，构成栅极。当工作电流从源极流入，栅极上存在适当电压，就会在栅极下形成沟道来连接源极和漏极。电流进而在漏极形成输出，然后再驱动其它三极管的栅极。这个过程中，能量消耗发生在电流从源极到漏极的跨越上；对于bipolar来说，晶体管有两个相反的P-N结，集电极的电流一般不能穿过这两结到达发射极。如果加一个与集电极同向的电压在两个结之间的基区，这样，就打破了原来两个结之间的平衡状态，从而使电流通过。这个过程中，能量消耗发生在电流穿越两重PN结上。我们知道，在门电路中，高电平表示1，低电平表示0。如果要消去一些1，或是通过转化为负信号抵消，或是把高电平倒入GND，这样一些电流就被消耗掉。

克服高热是超频中的一个很重要的方面，超频以后，频率提高，晶体管工作越频繁，处理速度加快，但是高的频率也使功耗增大。我们来看公式：P=CfV2。公式显示了功耗P，CMOS 门电容C，开关频率f及供电电压V之间的关系。其中，CMOS门电容C为常量。开关频率f和供电电压V可根据实际的应用要求而调整。供电电压V和开关频率f之间的关系为：V∝f。即更高的开关频率需要更高的供电电压支持。这也是晶体管加电压和超频的关系。这个公式只是CPU的动态功率，漏电流造成的静态功率并没有考虑。

从CMOS的角度来看，执行一个指令所需的功耗是相同的，所以降低CMOS频率不能减少耗电量，因为在高的时钟频率下，CPU仅仅是加快了完成工作的速度，但在空闲状态下停留的时间会更长。在实际工作中，CPU并非一直处于工作状态，即满负荷(full load)，大约有40%的情况下空闲(no load)，即空闲模式(Idle Mode)。所以空闲状态的存在是只降低频率无法节约能耗的原因。如果电压随着频率一起降低，从公式P=CfV2可以看出，电压的平方V2与功耗P成正比，降低一点电压，功耗便大大减少。这样，每执行一条指令的能耗就随之降低。

但是在实际的超频过程中，我们都需要提高电压，来增强系统的稳定性。为什么我们需要提高电压呢？这还要从晶体管的角度来加以说明。

在超频的过程中适当的提高电压，之所以能使超频以后的CPU工作起来稳定一些，是因为加压后可以增加电流，从而为提高频率工作的晶体管正常工作提供足够的电流。同时提高电压以后，使晶体管的控制极工作电压提高，即0、1信号更清晰。MOSFET管的栅极到达晶体管的充电时间缩短，而且栅极电场强度增加，沟道的打开更迅速。但是电压不可以无限制提高的，过高的电压会将PN结击穿。

从这些分析我们不难看出，睿频加速技术要想实现自动超频，就要解决自动调整电压和控制CPU的温度升高。二者必须实时的实现良好互动并求得一个平衡，该技术才可谓成功。那么英特尔是怎么实现的呢？我们来继续分析。

我们来看Nehalem处理器的Die晶体管排列图，上面的是内存控制器。下面依次是四个SMT内核和L2缓存，下面是L3缓存。左右是I/O接口和QPI总线。要想实时的控制这4个核心，关闭闲置的核心并将执行运算的核心超频，就需要有个单独的处理单元。这就是PCU(Power Control Unit)电源控制单元。正是通过它，睿频加速技术技术才得以实现。

从图中我们可以看出来，在英特尔Nehalem架构的处理器中，每个处理核心都带有自己的PLL同步逻辑单元，每个核心Core的时钟频率Frequency都是独立的，而且每个处理核心都是有自己单独的温度传感器Sensors。传感器实时的和PCU单元进行信息交换，便可以及时地控制核心温度。我们看到有个BCLK(Busclock frequency，基准BCLK是133.33MHz，英特尔作为一个步进)CPU的核心频率，通过几次PLL后，就会加上几个步进的频率，得到超频后的频率。比如Core i7-860的核心频率是2.80GHz，超频以后，加上一个步进2800+133×1=2933(2.93GHz)，加上四个步进2800+133×4=3332(3.33GHz)，加上五个步进2800+133×5=3465(3.46GHz)。PLL电路每上拉一次，核心频率就增加一个步进133.33MHz。

而Vcc是接入电路的电压，代表高电平。在核心超频时PCU将该核心的供电电路上拉到Vcc，即可以为该核心增加一个电压，比如0.1v。如果该核心需要关闭，只需要PCU关闭该核心的供电即可。这样的好处是在深度睡眠的时候，个别的处理核心几乎可以完全被关闭。而在之前的多核心处理器中，所有的处理核心都具备相同的核心电压，也就是说活跃的处理核心与不活跃的处理核心都要消耗相同的功耗。PCU可以监控操作系统的性能，并且向其发出命令请求。因此它可以非常智能地决定系统的运行状态——是在高性能模式，还是在节电模式。

PCU的调节是非常灵活的，当应用负载提高时，系统可以在TDP允许范围内对核心主频进行超频：如果4个CPU内核中有一个或两个核心检测到负荷不高，那么其功耗将会被切断，也就是将相关核心的工作电压设置为0，而节省下来的电力就会被用来提升高负荷内核的电压，从而提升核心频率终提升性能。当然不仅限于这一种状态，也可以是关闭一个核心或者是关闭三个核心。这样就可以让CPU的能耗曲线更为接近应用负载曲线(负载高时，频率高、能耗高。负载低时，频率低、能耗低)，让每一份的电源能耗都用到实处。