正確看待處理器核的功耗數據

　　具有板級設計經(jīng)驗的工程師一般對于處理器芯片的功耗水平都了如指掌，給定芯片的實(shí)現工藝和工作頻率，就可以推斷出處理器的功耗。然而對于可授權的處理器核IP來(lái)說(shuō)，這種經(jīng)驗是非常不準確的。

　　處理器芯片的功耗數據是測量芯片封裝中所有電路功耗得到的結果，而可授權處理器核的功耗分析基于仿真的結果，IP供應商公布的功耗數據有可能忽略掉一些產(chǎn)生功耗的功能模塊。影響可授權處理器核功耗的因素有很多，包括芯片實(shí)現的工藝水平(制程和線(xiàn)寬)，物理單元庫以及進(jìn)行功耗分析時(shí)運行在處理器上的測試程序。因此，在比較兩家處理器核的功耗水平時(shí)，要格外小心謹慎，因為規格文檔中的數據很可能基于不同的條件，不具有可比性。例如，分別采用TSMC 0.18μm G制程和0.13μm LVLK制程，采用針對功耗優(yōu)化的綜合方式，并且此數據不包括時(shí)鐘樹(shù)上的功耗。
　　
　　下面具體來(lái)看腳注中所列的條件

　　●工藝制程：TSMC的G制程是通用低成本制程，而LVLK 制程為高性能制程，它采用低閾值電壓的晶體管，雖然增加了靜態(tài)漏電功耗但是因為工作電壓更低所以動(dòng)態(tài)功耗大大降低。即使線(xiàn)寬相同，采用不同制程的芯片功耗水平有可能相差50%或更多。只有在相同工藝制程下的數據才具有可比性，如果功耗數據基于的工藝制程不同，雖然可以根據經(jīng)驗推斷其它制程下的功耗，但那無(wú)疑是不準確的。

　　●綜合優(yōu)化設置：處理器的功耗數據是綜合工具針對功耗進(jìn)行優(yōu)化的條件下得到的。除此之外，綜合工具也可以針對面積和速度進(jìn)行優(yōu)化，每種優(yōu)化設置下得到的處理器主頻，面積和功耗水平都不相同。實(shí)際上，處理器核規格文檔中所列出的最高主頻，最小面積以及最低功耗，很可能是分別采用不同的綜合優(yōu)化設置得到的，如果文檔中沒(méi)有明確列出綜合條件，最好向IP供應商問(wèn)清楚。

　　●未計入功耗的電路：功耗數據中沒(méi)有包括時(shí)鐘樹(shù)上的功耗。因為時(shí)鐘樹(shù)部分運行在處理器的最高頻率上，一般來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘樹(shù)上會(huì )有大量的動(dòng)態(tài)功耗，不計入時(shí)鐘樹(shù)的功耗會(huì )使整個(gè)處理器的功耗數值減小30%～50%，而處理器正常工作是離不開(kāi)時(shí)鐘樹(shù)的。顯然，如果一個(gè)處理器核的功耗計入時(shí)鐘樹(shù)而另一個(gè)不計的話(huà)，兩相比較是毫無(wú)意義的。
　　
　　注意，還有四個(gè)關(guān)鍵因素，包括：工作電壓，綜合過(guò)程中使用的物理單元庫，功耗數值是布局布線(xiàn)之前還是之后得到的以及進(jìn)行功耗仿真時(shí)運行的應用程序，這些因素也會(huì )對處理器核的功耗水平產(chǎn)生重要影響。以130nm工藝為例，處理器的工作電壓范圍大約是1.2V～0.6V，工作電壓的不同會(huì )導致動(dòng)態(tài)功耗的不同。因此，一定要弄清處理器核規格文檔中列出的功耗數據是在什么工作電壓下得到的。

　　綜合過(guò)程中使用的物理單元庫同樣對功耗有很大影響。表1列出了五種Tensilica鉆石標準處理器核的功耗數據。所有這些數據都基于TSMC 0.13μm G制程，但使用不同的物理單元庫和工作電壓(這里的數據都包括時(shí)鐘樹(shù)的功耗)。表1所列每個(gè)處理器核的功耗包括動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩部分。動(dòng)態(tài)功耗會(huì )隨主頻線(xiàn)性增長(cháng)而靜態(tài)功耗不會(huì )。
　　
　　低功耗的數據是以ARM的Artisan Metro單元庫實(shí)現，在0.6V工作電壓下通過(guò)仿真獲得的，由于制程、單元庫和綜合優(yōu)化選項的限制，低功耗處理器的主頻一般低于100MHz。高性能的數據是以ARM的Artisan SageX單元庫實(shí)現，在1.2V工作電壓下仿真獲得的，同樣的處理器核心此時(shí)功耗更高，但是主頻也較高，通?？梢赃_到200MHz以上。

　　表2所示為5款鉆石標準處理器在TSMC 0.13 G和90 G工藝制程下采用ARM的Artisan SageX單元庫，針對速度進(jìn)行優(yōu)化綜合后的動(dòng)態(tài)功耗比較?？梢钥闯霾捎酶冗M(jìn)的90 G工藝，單位頻率下的動(dòng)態(tài)功耗有了顯著(zhù)下降。采用TSMC的90 G工藝，處理器主頻相比采用0.13 G工藝可以提高近50%。
　　
　　另外一個(gè)決定處理器核功耗數值的因素是功耗仿真發(fā)生在布局布線(xiàn)之前還是之后。一般來(lái)說(shuō)，布局布線(xiàn)后處理器的面積會(huì )增加10%～15%，面積的增加帶來(lái)了電容的增加，相應的導致動(dòng)態(tài)功耗的增加。表1和表2中列出的功耗數據都是布局布線(xiàn)后的功耗仿真結果。

　　除了前面所講的這些影響功耗數據的因素外，還有一個(gè)重要的因素：進(jìn)行功耗仿真時(shí)，處理器在執行什么程序？如果處理器在循環(huán)的執行空操作，則得到的功耗數值比處理器進(jìn)行運算時(shí)得到的小很多。所以說(shuō)功耗仿真時(shí)處理器上運行的基準測試程序也會(huì )影響得到的功耗數值。

　　目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對處理器核的功耗基準測試程序。業(yè)界著(zhù)名的基準測試組織EEMBC開(kāi)發(fā)了一套用于處理器芯片的功耗測試基準程序EnergyBench，但前提是要有已經(jīng)物理實(shí)現了的處理器芯片，它不能用于處理器核的功耗仿真。業(yè)界最常用來(lái)做功耗基準測試的程序是Dhrystone的2.1版本，一個(gè)用來(lái)比較處理器性能的基準程序。表1和表2中列出的功耗數據都是基于Dhrystone基準測試程序進(jìn)行仿真分析的結果。

　　綜上所述，公平的比較兩個(gè)處理器核之間的功耗水平需要保證前提條件一致，而這是很困難的。在比較之前，一定要從處理器供應商那里弄清前面所講的各種前提條件。