35、多核系统的功耗建模

多核系统的功耗建模

近年来，能效已成为现代CPU设计的主要目标。从电池续航有限的移动设备和物联网设备，到需要尽量降低电费和冷却系统成本的服务器和云计算领域，关键的设计重点在于在实现所需性能水平的同时降低功耗。提高能效的基础在于有效管理各种节能技术，以在当前运行条件下找到最佳平衡点。为了实现这一目标，需要在线获取准确的运行时功耗信息。此外，设备的性能受其热限制，因此，通过仔细监控功耗并考虑这一限制，可以实现更高的峰值性能。

1. CPU功耗分析

现代CPU使用互补金属氧化物半导体（CMOS）实现，这种技术也用于实现动态随机存取存储器（DRAM）和其他组件。CPU的功耗大致可分为三个关键部分：静态功耗（$P_{static}$）、短路功耗（$P_{sc}$）和动态功耗（$P_{dyn}$）。
- 动态功耗 ：由晶体管状态改变时电容性负载的充电和放电引起（C）。并非每个晶体管在每个时钟周期都会改变状态，因此使用活动因子（α）来表示活动比例，其计算公式为：$P_{dyn} = αCV^2f$ 。
- 短路功耗 ：当门电路改变状态时，由于晶体管过渡时间不为零，P型金属氧化物半导体（PMOS）和N型金属氧化物半导体（NMOS）晶体管会在短时间内同时导通，导致短路电流流动，从而产生短路功耗。它通常在CMOS功耗方程中被忽略，因为它比动态和静态组件小。
- 静态功耗 ：由泄漏电流引起，且与温度有关，计算公式为：$P_{static} = I_{leak}V$。

随着技术缩放的不断推进，静态功耗的占比逐渐增大。

2. CPU电源管理和