AVFS能給AMD的低功耗之路帶來(lái)什么機(jī)會(huì)？

　　功耗效率真是一個(gè)“熱點(diǎn)”話題，請(qǐng)?jiān)徫叶稒C(jī)靈。現(xiàn)在，代工廠和半導(dǎo)體制造商都對(duì)如何降低功耗充滿了熱情，就像之前他們趨之若鶩地為提高時(shí)鐘頻率和性能一樣努力。AMD自然也是這一潮流中的一員。在該公司近日發(fā)表的白皮書(shū)中，該公司提到了其25×20項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是在五年內(nèi)將每瓦特功耗的性能水平提升25倍。

　　如果你對(duì)微處理器和發(fā)展趨勢(shì)和一般的功耗方面的創(chuàng)新都一直有保持關(guān)注，這份白皮書(shū)的內(nèi)容可能對(duì)你來(lái)說(shuō)并不算陌生。這份白皮書(shū)介紹了HUMA（異構(gòu)統(tǒng)一存儲(chǔ)器存?。┖彤悩?gòu)系統(tǒng)架構(gòu)（HSA）的優(yōu)點(diǎn)，以及工廠工藝在能效提升上的成果。其中AMD給出的最有趣的額外信息是關(guān)于自適應(yīng)電壓與頻率調(diào)節(jié)（AVFS）的部分。這其中最大的改進(jìn)主要在Carrizo方面，但Carrizo-L平臺(tái)卻沒(méi)有采用它們。

　　AVFS vs DVFS

　　在微處理器中節(jié)省電力的方法主要有兩種，一是前面提到的AVFS（自適應(yīng)電壓與頻率調(diào)節(jié)）和DVFS（動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)）。英特爾和AMD已經(jīng)在DVFS的道路上走過(guò)了十幾年。DVFS使用的是被稱為開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)的機(jī)制。在這種類型的系統(tǒng)中，CPU供應(yīng)商將會(huì)為不同的目標(biāo)應(yīng)用和使用頻率決定最佳電壓。DVFS并不針對(duì)任何特定的芯片進(jìn)行校準(zhǔn)；相反，英特爾和AMD等供應(yīng)商通過(guò)已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的靜態(tài)模型來(lái)確定芯片在給定的頻率下運(yùn)行的工作電壓。

　　DVFS的設(shè)計(jì)之初就給出了過(guò)量的預(yù)留。CPU的運(yùn)行溫度將會(huì)影響到其電壓的需求。而因?yàn)锳MD和英特爾并不知道其給出的SoC會(huì)在40攝氏度還是80攝氏度運(yùn)行，他們調(diào)整了DVFS的模型，確保芯片在工作時(shí)不會(huì)受到損害。從而在實(shí)際工作中，系統(tǒng)的功耗大約是實(shí)際所需要功耗的10-20%。

　　據(jù)AMD授權(quán)這份白皮書(shū)的Sam Naffziger稱：這種過(guò)量的設(shè)計(jì)意味著大量的浪費(fèi)，因?yàn)楝F(xiàn)在的CPU功耗與電壓上升的平方成正比（如果考慮到漏電，則更接近三次方）。電壓值提升10%，那么功耗就將有20%的提升。

　　相對(duì)的，AVFS使用的則是閉環(huán)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，通過(guò)芯片上的硬件機(jī)制對(duì)電壓進(jìn)行管理，這是通過(guò)對(duì)節(jié)溫度和實(shí)時(shí)頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量得到的，然后再對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)以對(duì)其進(jìn)行匹配。這種方式通過(guò)去除不要的保護(hù)性的電壓范圍來(lái)消除前面提到的功耗浪費(fèi)。

　　另外AVFS還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是Naffziger沒(méi)提到的，盡管目前并不清楚這和AMD的利益有無(wú)關(guān)聯(lián)：AVFS可以減少工藝變化帶來(lái)的影響。

　　半導(dǎo)體制造和更進(jìn)一步的產(chǎn)品制造的區(qū)別之一是半導(dǎo)體制造商并不知道其造出的芯片到底怎么樣，只有測(cè)試之后才能明白。每一塊晶圓都有自己獨(dú)特的性質(zhì)，從而導(dǎo)致有的芯片所需要的電壓比其它芯片低，有的芯片則能達(dá)到更高的時(shí)鐘頻率，而有的根本就不能工作。一個(gè)建立在成熟節(jié)點(diǎn)上的SoC設(shè)計(jì)所面臨的變化比新節(jié)點(diǎn)和新工藝采用時(shí)的變化更少，但變化和差異始終是存在的。

　　這種變化有時(shí)候直接影響了工藝的成敗。

　　上圖顯示了三種不同的器件，第一種的頻率是800MHz，功耗也最低，但這種芯片完全不能超頻。第二種芯片的功耗更高一點(diǎn)，但頻率上限也更高，制造商會(huì)選擇使用這種芯片。而第三種的頻率上限就更高了，而且達(dá)到其最大頻率時(shí)所需要的電壓比第二種低，但在同等頻率下，它的功耗卻是最高的，因?yàn)槠淅速M(fèi)的能量也更多。在DVFS下，制造商將會(huì)將這些CPU的電壓設(shè)定成1V，這是最弱的芯片需要保持穩(wěn)定工作所需要的最低值。

　　而AVFS，則提供了更多選擇。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量和調(diào)整電壓，AVFS可以確保芯片工作在其所需要的最佳電壓值狀態(tài)。如上圖，只要在最弱的工作在1V就可以了，第2和第3中芯片的電壓會(huì)分別調(diào)整為0.95V和0.9V。這樣AVFS在能保證用戶體驗(yàn)的同時(shí)，降低了芯片的功耗。