内容纲要
作者：Kellen Wang
1. 架构与功耗
在电压给定、工作量给定的情况下，降低计算机频率或许可以降低芯片的表面温度，但完成工作量所花费的实际功耗并不会因此降低。如果真的想降低系统功耗的话，必须在降低工作频率的同时降低系统电压。由于功耗与电压是平方关系，只要电压下降一半，功耗就会下降为之前的四分之一，再乘上频率的同比例降低，整个系统的实际功耗会下降为之前的八分之一。因此20年来系统内核电压一直在不断下降，从5V一直降到现在的1V。
随着制程的不断上升，芯片面积越来越小，散热问题越来越严峻。在解决散热问题之前，时钟频率似乎已经到达了一个瓶颈。因此，从2003年以后系统主频就鲜有上升，一直维持在最高3.3Ghz左右。
1.1 功耗控制技术
1.1.1 动态功耗控制
- 时钟门控：通过关停模块时钟来降低动态功耗。
- 动态电压-频率调节：系统通常会设计几个不同的电压-频率工作点（工作模式），当系统活动不活跃的时候自动切换到低压低频模式下，以降低功耗。
- 典型场景节能：根据系统的典型工作状态进行功耗优化，如果系统大部分时间处在闲置状态，则尽可能将所有模块都转入超低功耗模式下；如果系统大部分时间处于高速运算，则提供高温监控防止系统烧坏。
- 超频：在高温监控的辅助下，CPU可以短时间进入超出额定频率的工作状态（110%）以提供额外运算速率。这种加速效果随室温变化有所不同，通常低温地区可以比高温地区获得更高的运算收益。
1.1.2 静态功耗控制
由于动态功耗管理技术的进步，静态功耗产生的影响越来越变得不可忽视。目前典型系统中的静态功耗已经占到了系统总功耗的50%以上。即使是在晶体管截止状态，静态漏电功耗依然存在，因此静态功耗大小通常与晶体管数量（芯片面积）有关（这里不讨论高阈值晶体管等降低单管静态功耗的技术）。
- 电源门控：由于晶体管截止已经不能阻止静态漏电，唯一的解决办法就是切断供电。在系统中通常会划分若干电压域，根据系统不同状态的运行需求进行电源供断的切换。
- 存储管理：存储器和寄存器是静态功耗的主要来源，减少存储使用或关断其电源都能有效降低静态功耗。
- 竞相暂停（race-to-halt)：尽可能使用最少的模块来完成运算（如将CPU之外的模块都关停）。
2. 架构与成本
由于晶圆成本固定，芯片面积和芯片产出数量成反比，再考虑到良品率的影响，芯片生产成本与芯片设计面积的平方成正比。即是说，芯片设计面积缩小一半，芯片生成成本降为四分之一。
另外，通过架构设计降低系统的运维费用，对于大型计算机系统而言甚至比压缩生产成本更加重要。
