AVFS能給AMD的低功耗之路帶來什么機會？ - 全文

　　功耗效率真是一個“熱點”話題，請原諒我抖機靈?，F(xiàn)在，代工廠和半導體制造商都對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)表的白皮書中，該公司提到了其25×20項目，該項目的目標是在五年內(nèi)將每瓦特功耗的性能水平提升25倍。

　　如果你對微處理器和發(fā)展趨勢和一般的功耗方面的創(chuàng)新都一直有保持關(guān)注，這份白皮書的內(nèi)容可能對你來說并不算陌生。這份白皮書介紹了HUMA（異構(gòu)統(tǒng)一存儲器存?。┖彤悩?gòu)系統(tǒng)架構(gòu)（HSA）的優(yōu)點，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)于自適應電壓與頻率調(diào)節(jié)（AVFS）的部分。這其中最大的改進主要在Carrizo方面，但Carrizo-L平臺卻沒有采用它們。

　　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（自適應電壓與頻率調(diào)節(jié)）和DVFS（動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)）。英特爾和AMD已經(jīng)在DVFS的道路上走過了十幾年。DVFS使用的是被稱為開環(huán)調(diào)節(jié)的機制。在這種類型的系統(tǒng)中，CPU供應商將會為不同的目標應用和使用頻率決定最佳電壓。DVFS并不針對任何特定的芯片進行校準；相反，英特爾和AMD等供應商通過已經(jīng)驗證過的靜態(tài)模型來確定芯片在給定的頻率下運行的工作電壓。

　　DVFS的設(shè)計之初就給出了過量的預留。CPU的運行溫度將會影響到其電壓的需求。而因為AMD和英特爾并不知道其給出的SoC會在40攝氏度還是80攝氏度運行，他們調(diào)整了DVFS的模型，確保芯片在工作時不會受到損害。從而在實際工作中，系統(tǒng)的功耗大約是實際所需要功耗的10-20%。

　　據(jù)AMD授權(quán)這份白皮書的Sam Naffziger稱：這種過量的設(shè)計意味著大量的浪費，因為現(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。

　　相對的，AVFS使用的則是閉環(huán)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，通過芯片上的硬件機制對電壓進行管理，這是通過對節(jié)溫度和實時頻率的實時測量得到的，然后再對電壓進行調(diào)節(jié)以對其進行匹配。這種方式通過去除不要的保護性的電壓范圍來消除前面提到的功耗浪費。

　　另外AVFS還有一個優(yōu)點是Naffziger沒提到的，盡管目前并不清楚這和AMD的利益有無關(guān)聯(lián)：AVFS可以減少工藝變化帶來的影響。

　　半導體制造和更進一步的產(chǎn)品制造的區(qū)別之一是半導體制造商并不知道其造出的芯片到底怎么樣，只有測試之后才能明白。每一塊晶圓都有自己獨特的性質(zhì)，從而導致有的芯片所需要的電壓比其它芯片低，有的芯片則能達到更高的時鐘頻率，而有的根本就不能工作。一個建立在成熟節(jié)點上的SoC設(shè)計所面臨的變化比新節(jié)點和新工藝采用時的變化更少，但變化和差異始終是存在的。

　　這種變化有時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，但頻率上限也更高，制造商會選擇使用這種芯片。而第三種的頻率上限就更高了，而且達到其最大頻率時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，因為其浪費的能量也更多。在DVFS下，制造商將會將這些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。通過實時測量和調(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中芯片的電壓會分別調(diào)整為0.95V和0.9V。這樣AVFS在能保證用戶體驗的同時，降低了芯片的功耗。

　　AVFS將會帶來Carrizo的崛起嗎？

　　AMD在其CPU工作上做了很多承諾，但很多也沒實現(xiàn)，除非你覺得其芯片業(yè)務的奔潰是一種成功。愛好者對Carrizo所能提供的東西都深表懷疑。但好消息是AVFS并不只是一個AMD心血來潮的想法。這是一個增加芯片復雜性的折衷方案，但也能幫助應對制造時的變化，AMD稱AVFS將會為功耗水平帶來至少20%的改進。一些專家則認為根據(jù)工作負載的不同，甚至可能實現(xiàn)45%的功耗優(yōu)化，畢竟芯片和目標市場都有很大的不同。

　　減少20%的功耗應該會給電池壽命帶來很大的提升。但目前還不清楚這種功耗上的調(diào)整將會對性能帶來怎樣的影響。理論上講，AMD應該能夠達到的更高的頻率，但這份白皮書提到AMD“設(shè)計了電源管理算法來對典型使用壞境進行優(yōu)化，而不是在高要求工作負載的峰值計算。結(jié)果是得到了一系列的race-to-idle技術(shù)，使得計算機在睡眠模式下能夠盡可能地減少平均的功耗使用。

　　AMD也在使用Carrizo為SOi3閑置狀態(tài)提供新的支持。SOi3能讓芯片比進入比普通模式睡眠更深的睡眠狀態(tài)，而這應該能在系統(tǒng)不使用時提高筆記本電腦的整體電池壽命。

　　AMD-SI03

　　而這些技術(shù)和策略能否在高性能使用時仍然能繼續(xù)保持節(jié)省功耗的能力目前還是一個尚未解決的問題。雖然目前已經(jīng)有一些Carrizo基礎(chǔ)泄露出來，但卻沒多大用處，至少不知道泄露的芯片的具體功耗的頻率帶，更賀寬這些泄露的數(shù)據(jù)都是基于工程樣品，這并不能說明最終成品就是這樣。

　　這就是我期望的全部：Carrizo將含有一系列的功率管理技術(shù)，從而能夠更多地減少功耗。在芯片上集成更多的組件（這是另一個減少功耗的措施），并且為閑置模式的功耗提供支持，現(xiàn)在的AMD芯片就不能這樣使用。當這些改進都集中到一起時，那Carrizo才能在電池壽命獲得了顯著的提高。到底有多少提高還要看OEM自己。我們在Core M處理上就看到OEM對冷卻和組件的處理對器件的性能本身有多么大的影響。

　　性能數(shù)據(jù)說明Carrizo高端芯片將比Kaveri更快一點，但AMD自己卻說這款芯片將會成為35W以下功耗段性能最強的芯片。如果Carrizo在這方面模仿Kaveri，那么我們能在15-20W段看到顯著的性能提升，但在35W段可能兩者會區(qū)域持平。

　　在和Sam Naffziger談過之后，我們不期望這些改進能夠一蹴而就。目前AMD還未就這一方面的計劃提供任何細節(jié)，但我們有足夠的理由相信未來AVFS的芯片會越來越多。