3、计算机处理器的功耗、内存访问及并行架构分类

计算机处理器的功耗、内存访问及并行架构分类

1. 处理器的功耗与能耗

1.1 时钟频率与功耗的关系

在2003年之前，处理器的时钟频率有显著的年均增长。但到2003年，时钟频率达到约3.3 GHz后，增长趋势停滞，此后仅有轻微增长。这是因为时钟频率的进一步提高会因漏电流导致热量大幅增加。漏电流即使在处理器不进行计算时也会存在，由此产生的功耗被称为静态功耗；而由计算引起的功耗则称为动态功耗，总功耗是静态功耗和动态功耗之和。2011年，根据处理器架构的不同，静态功耗通常占总功耗的25% - 50%。

动态功耗 $P_{dyn}$ 可以用以下公式描述：
$P_{dyn}(f) = α · C_{L} · V^2 · f$
其中，$α$ 是开关概率，$C_{L}$ 是负载电容，$V$ 是电源电压，$f$ 是时钟频率。由于 $V$ 与 $f$ 呈线性关系，动态功耗与时钟频率呈三次方关系，即时钟频率增加时，动态功耗会显著上升。例如，早期的32位微处理器（如Intel 80386）时钟频率在12 MHz - 40 MHz之间，功耗约为2 W；而较新的4.0 GHz Intel Core i7 6700K处理器功耗约为95 W。超过4.0 GHz大幅提高时钟频率会导致动态功耗难以忍受的增加，这也解释了自2003年以来桌面处理器时钟频率无显著增长的原因。

1.2 影响功耗的其他因素

除了时钟频率，还有其他因素会影响处理器的功耗：
- 计算强度 ：应用程序的计算强度越高，功耗通常越大。
- 线程数量 ：使用更多线程通常会导致功耗增加。 <