多核心运算平台的节能设计
- DIGITIMES企划
-
10年前PC处理器从时脉调校转向多核心架构，并藉由制程精进，从存储器控制器、绘图芯片到周边处理芯片电路单元无所不包，也使系统业者对其电源稳压电路的设计煞费苦心；新时代处理器芯片直接整合高效率变压细胞电路与特殊封装模块，同时藉由不同运算电路之间的独立电压调控，以及更多的节电模式，来跟早已迈向多核心的智能手机、平板等移动设备，一争功耗效能的王座…
24年前PC刚问世时，其采用的8086/8088是采用3.3或3.45V标准工作电压设计的16位元处理器。由于处理器功率(p)=介电常数(c)x工作电压(V)的平方x工作频率，也就是处理器设计功率(废热)跟工作频率、工作电压的平方值成正比。
在相同制程下，处理器频率提升20%，效能值变为1.13，但热功率会提升为1.73(+73%)：反之频率降低20%，效能值减为0.86(86%)，但热功率可以降为0.5(50%)。
因此英特尔于1995年Pentium Pro/Pentium MMX时代导入了稳压模块(Voltage Regulator Module；VRM)的规范，藉由定义十几到几十组不同工作频率？电压的阵列组合，让处理器能够因应不同的负载而调低工作频率与工作电压，使整体热功率能维持在一定区间内。
但即便有摩尔定律每2年的制程进化，以一定的矽晶粒面积(成本)下，塞入更多的晶体管、逻辑闸电路来设计、强化处理器的效能，但由于制程进化所缩减的工作电压，仍不足以抵销因为线路微缩造成漏电、工作频率调升所需的电压微调，所造成处理器热功率成等比级数的飞快提升，若不更弦易辙，处理器芯片温度将会直逼太阳表面的温度。
在2003？2004年间，各CPU研发厂商均面临到处理器热功耗╱废热提升比效能还快的功耗之墙，也因此各CPU厂不约而同，改以验证过的单一核心，藉助半导体IC制程技术或封装技术，将2颗、4颗以对称方式叠加起来，套前面的公式，2颗各降20%频率的CPU核心叠加起来，总功耗跟1颗全速CPU差不多，但2颗CPU核心搭配双线绪软件全速发挥下，效能值可以提升至1.87(+87%)。等2年制程再进化，可以用一半的功耗，再加倍叠出4核心的处理器，同时维持2年前甚至多年前的热功率，并拥有有较佳的效能？功耗比。因此各CPU厂商纷纷朝向多核心处理器开发，CPU时脉停留在4GHz已有一阵子。
多核心与SoC各功能电路的电压调校
在CPU封装里只有CPU的单纯年代，CPU的电力由独立的VRM电压调整模块供应，VRM在同一时间内仅对CPU输出一种电压，到2008年CPU刚开始内建存储器控制器时都还是如此。
随着CPU朝向SoC化，从图形处理器(GPU)、影音处理器(Audio Video/DSP)、存储器控制器等控制电路？单元都整合进来，每个处理单元都有不同工作频率、工作电压与节能需求。新一代高性能微处理器对电源的需求，电源控制IC也从传统的单一类比控制方式，朝向多功能的整合型控制PWM IC发展。
当CPU迈向多核心发展下，像英特尔(Intel)、超微(AMD)纷纷发表像是Intel Turbo Boost、AMD Turbo Core等核心调校技术，依据不同线绪(Thread)的负载，去动态调整各核心的工作频率？电压，以4核心CPU执行到4线绪时，仅各个CPU核心能允许小幅度超频；只用到双核心时，可以针对这2个核心做较大幅度的超频，另外2个核心则降频甚至关闭，当执行像是单线绪游戏类软件时，可以集中在单一核心给予最大的超频幅度，而同时维系整体热功率在一定水准内，可以在执行效能与总体功耗取得较完美的平衡。
而接下来超微(AMD)、英特尔(Intel)也都陆续在处理器晶圆内建热敏电阻传感器，可以随时动态侦测各工作单元？电路的实际运作温度，在一定的总热功率上限下，进一步的依工作负载去调整GPU或CPU的工作电压？频率。
以AMD R-464L APU为例，其CPU核心时脉为2,300MHz，GPU为496MHz，在一般x86与GPU负载均衡下各自时脉不变；当进入多线绪平行处理(Multi-Threaded)的状态，x86时脉会视需要动态拉升到最高39%(3,200MHz)，而GPU时脉维持不变；当执行到偏3D图形处理的程序时，x86时脉维持2,300MHz，但GPU时脉动态拉升到最高38%(685MHz)。
Haswell/Broadwell内建高效能变压电路
过去处理器需借助主机板上的变压电路模块(VRM)来供应电压？电流。以22纳米Ivy Bridge平台来说，主机板仍需提供PLL VR 1.8V、Core VR 0~1.2V可变电压、GPU 0~1.2V可变电压、锁相回路(PLL) VR 1V、标准输出入电压(Input/Output) VR 1V、System Agent VR 1V，及DDR3存储器模块驱动所需的DDR VR 1.2？1.35V，再经过CPU内部的分压输出，受限于电容、电感的延迟效应，而使得各单元的电压调校无法做到极精细。
2013年英特尔技术论坛 (IDF 2013)中，首度揭露22纳米处理器(代号Haswell)，在处理器硅片内建全整合式电压调节器(Fully Integrated Voltage Regulator；FIVR)，多达20组的16相位电源细胞电路(Power Cell)，每个Power Cell工作频率高达140MHz，供电上限25安培，可依据不同的CPU核心、GPU核心、PCI-E、周边I/O等做精细且独立的调整，光CPU本体就能应付到多达320相位，480安培(500A)的总电流量流入；主机板厂商仅需针对 480A 这个规格设计，Haswell/Haswell-E主机板被简化到仅需2个供电回路，一组Vccin对处理器供电，另一组Vddq对存储器供电即可。
于2014年9月圣荷西举办的秋季IDF2014论坛中，英特尔正式发表采最先进14纳米(14nm)制程打造的移动型处理器Core M (原始代号Broadwell)，Core M移动处理器特别针对Detachable、Convertible 2in1变形平板、超极致笔记本电脑(Ultrabook)所打造。
Core M采2？4核心设计，内建第4代绘图芯片核心，同时CPU硅片与周边南桥芯片(PCH)采MCP多重芯片构装为一体的SoC设计，整个SoC芯片总设计功耗仅4.5W，可搭配一般散热片或热导管做散热，设计出更纤薄、轻巧且安静的无风扇移动设备(Fanless)。
据传(几乎已获得证实)Intel 将会在2015年14nm的Skylake处理器？主机板平台中，取消FIVR设计重回传统外部分离供电的设计。主机板得重新负责VCCGT、VCCIO、VCCSA等电压的调控，其思考策略为何则不得而知。
移动设备处理器从多核心到异质性的节能设计
从CPU的演进中，单核CPU到了发展瓶颈，同质多核心(Homogenous system)CPU随着核心数量增加到一定程度后，仍面临到功耗、平行化软件与效能无法持续延展的瓶颈。异质性多核心系统(Heterogeneous Systems)则由各种应付不同类型工作负载的异质性核心所组成，藉由颠覆传统的程序码撰写机制，依不同核心特性做运算分派与效能最佳化，可以确保效能持续延展下去。
2012年6月，AMD联合ARM、Imagination、联发科、德仪、三星与高通，成立非营利性的异质系统架构协会(Heterogeneous System Architecture；HSA Foundation)，从矽智财(Silicon IP)到软件开发商等产业链的建立，一同推动异质性系统架构的普及。
预计于2014下半年会出现的高端4核、8核智能手机，其移动应用处理器人选，有高通(Qualcomm) Snapdragon系列808(6核)/810(8核) 64bit应用处理器，以及联发科(Media)的MT6595(4核)？MT6795(8核)的64bit应用处理器。前者采用安谋(ARM)非对称式(big.LITTLE)－4核Cortex A57加上2？4核Cortex A53设计，后者则直接使用8核心Cortex A53的设计。
过去应用处理器内建电源管理并采共享电压来驱动，当跨入40、32甚至28纳米制程，因CMOS制程？线路微缩，无法以5V工作电压直接驱动；而4核以上处理器，有需要针对每个核心做动态升降频？降压，因此AP业者尝试改以外接的高效能电源管理芯片，提供6组或更多稳压线路与动态电压控制(DVC)功能，可跟处理器负载做适时调整(Adaptive Adjustment)，将所有处理工作的电源效率最佳化。
