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标题: CPU的功耗和什么相关？为什么一个while(1);就可占满CPU的功耗？ [打印本页]

作者: GRcSXZPy 时间: 2017-11-17 15:33
标题: CPU的功耗和什么相关？为什么一个while(1);就可占满CPU的功耗？
假设CPU为单核，那么一个最简单的死循环就几乎能占满CPU的TDP了.那么CPU的功耗到底和什么有关呢？这里一个死循环难道要调用上亿个的晶体管满负荷运行？如果只要占用极少量的晶体管运行那为什么还能有那么大的功耗？

作者: 光头人1 时间: 2017-11-17 15:33
CPU 100% 不代表所有的元器件都在干活，只代表这个CPU别人不能用。

作者: xiexueqiao 时间: 2017-11-17 15:33
CPU 100%说的是CPU time，不是功耗。
写一个简单的while(1)死循环就可以占满CPU time，是因为这是你给电脑的指示，你告诉电脑要尽可能多的执行这个程序。电脑就会把所有可以给它的时间都给它，导致没有Idle时间。
然而这个100%并不是真的100%，他只是拿走了所有可供使用的时间，操作系统没有傻到让一个死循环把CPU全部拿走。如果这时候你再写一个while(1)死循环，或者说开一个需要CPU的大程序，就会发现之前的死循环占用的不是100%了。
CPU time 100%不代表他占满了TDP。
不同的instruction带来的能量消耗是不同的。我猜测branch应该是一个消耗相对小的instruction，因为它不需要计算，不触发cache，只修改pc。因此我比较怀疑你认为你的死循环占满了TDP的观点，我认为他可能只是用了所有的CPU时间，而距离到达功耗的极限还有很大的距离。
满负荷运作的CPU，并不意味着使用到了所有的晶体管。
事实上，任何情况下，CPU上的晶体管都只有很小很小的一部分在「工作」。如果CPU上的晶体管同时「工作」，你电脑瞬间就炸了。所以无论是简单的while(1)死循环，还是复杂的大游戏，在某一时刻其实都只用到了一小部分晶体管，大部分晶体管是处于「闲置」状态的。
能耗其实是阻碍CPU高速工作的拦路虎。
随着器件越做越小，CPU上的能量密度是越来越高的，而在散热有限的情况下，如何降低能耗其实是CPU设计中很重要的一部分。让尽量少的晶体管同时工作，就是其中很重要的一个原则。

作者: wyo315 时间: 2017-11-17 15:33
CPU占用率不是功耗
100%表示CPU所有的时间都在用来执行你的程序，而不是CPU所有功耗都在用来执行你的程序
你说死循环程序可以占满TCP，怎么测算出来的？
我写了一个for(;;);的无限循环，开了8个实例运行，AIDA64测了一下功耗，34.22W

然后我随便开了8路并行build了一个boost，48W

提问者说区区一个无限循环就可以占满TDP，并不准确

作者: aquila00 时间: 2017-11-17 15:33
while(1);
并不是没有指令执行，翻译成汇编大概是:

loop:
jnz loop

你看处理器一直在执行那个跳转指令

非要类比的话…类似于你躺在床上胡思乱想一宿，不能说你睡了一晚上吧？

顺便一说,现代处理器执行这个不会到达tdp上限，通常都是涉及到l1或者fp simd才会

作者: rt45rti 时间: 2017-11-17 15:33
首先是占满CPU时间而不是CPU功耗。
占满CPU的“TDP”没什么意义，因为TDP本来就是热设计功率，和实际值差距会很大（一睿频就很可能超）。

我来给个猜想/解释吧。
CPU功耗分动态功耗/静态功耗。高cpu时间，频率自然也上去了，所以就是动态功耗占大头。
但是肯定不会达到理论最大功耗，原因是死循环的确没有用到那些复杂的计算单元。
可是看看cpu的结构图，缓存占了很大一片面积，而你cpu时间占用100%，cpu显然不会让缓存闲下来，所以缓存就成了耗电大头。——CPU还没智能到意识到你在故意死循环，从而关闭部分缓存休眠（这通常发生在部分核心关闭，或者低CPU时间占用的情况下）
CPU的缓存是SRAM，功耗和频率关系很大（参考Which-one-requires-more-power-consumption-SRAM-or-DRAM）。CPU时间上去了，自然会抬升CPU频率，缓存频率也会跟着上升，功耗也就不可避免地往上涨了。

作者: xiexueqiao 时间: 2017-11-17 15:33
电脑没别的,就是实诚,你写个死循环,按电脑理解就是让它玩命执行,循环越多次越好.
这时候如果是英特尔的cpu,首先睿频调最高,撸起袖子加油干.
然后cpu内置current limit throttling激活了,这时候达到最高电流,也就是瞬间最高功率,此时瞬时功率大于TDP.
过几秒温度上升,另一个保护电路激活,也就是Thermal Throttling激活,cpu适当降频,功耗接近TDP,随时间与散热能力达到一个平衡值.
当然实际中执行一个死循环很多时候不会占用100%cpu时间,以上只是一种理想状况.
所以这几个概念其实不怎么挨着.

作者: wangyoo2003 时间: 2017-11-17 15:33
CPU占满并不是代表CPU中所有的模块都在满负荷工作工作，比如IO模块、缓存模块。相同频率下，浮点运算单元的功耗要比整型运算单元高多了。此外级缓存也是CPU的一个非常耗电的模块

作者: lkamxmk 时间: 2017-11-17 15:33
NOP指令也是指令，别拿豆包不当干粮

作者: LThhVopG 时间: 2017-11-17 15:33
TDP是散热设计功耗，不是CPU的功耗，是用来指导设计散热系统的。

死循环看起来虽然简单，干的工作简单不代表就不需要能耗啊。此外，题目中所说应该CPU利用率高。

作者: m1717 时间: 2017-11-17 15:33
小伙子，根据你提的问题来看，你怕不是应该先去了解一下什么是“分时操作系统”吧？
while(1) 只是强行占用了大量的时间片而已，占着茅坑不一定要拉屎啊！

作者: 给我闪 时间: 2017-11-17 15:33
非低功耗操作系统，没程序执行的时候也会死循环执行nop只是把这些时间算空闲。

作者: qfwoshiyu 时间: 2017-11-17 15:33
请注意CPU满占用和CPU满功耗是两回事。

拿你举的例子来说，CPU的功耗远没有到达顶峰。因为while(1)没有算数逻辑运算，没有缓存访问，所以ALU和LSU都闲着没干活，功耗肯定不会用满。

以下伪汇编还差不多（还得把编译器的优化关掉）
; x86不熟，用ARM的凑合吧，注意其实ARM的也不熟，所以下面只能是伪代码
; 想更爽一点的话可以加FP指令，不过这个我就更不熟了
START:
LDR R0, [R1] ; 假设R1是cacheable并有读写权限
ADD R0, R0, 1
STR R0, [R1]
B START

作者: zhoujingli 时间: 2017-11-17 15:33
回想一下你思考这个无意义(物理上)的问题大脑耗了多少能量，你就理解CPU为什么功耗能那么高了。()

作者: 快乐.每一天 时间: 2017-11-17 15:33
一般意义的功耗=电压*电流，即电压越高越耗电。
电流又和三晶体管开关有关，每次晶体管状态切换都要耗电，不切换则基本不耗电，具体来说就是当cpu执行某种运算时，会开始耗电，运算频率越高，越耗电。

while（1）底层是在不断执行跳转指令，因此cpu不断地在执行指令，全力耗电，虽然说是无用功。

作者: twxd 时间: 2017-11-17 15:33
只是分配机制的问题
空死循环纯属占着茅坑不拉屎

作者: akmpswv 时间: 2017-11-17 15:33
我要是编译器，遇到这种代码，直接优化省略掉(跑个题)

作者: joy3118 时间: 2017-11-17 15:33
（瞎猜）超标量处理器死循环，会把核内所有流水线和分支预测乱序执行电路都跑起来，一时钟周期把这个循环跑三四遍…这已经动员了处理器核内大部分晶体管了……

作者: xiexueqiao 时间: 2017-11-17 15:33
我不是微电子学出身的，不过关于这个问题我有过一些思考，不一定准确，写出来供参考。
CPU在工作的时候产生功耗的电子学基础是什么？这个问题是在我搭了第一个分立元件cmos H桥电路并用它来驱动步进电机的时候想明白的。
以下是cmos H桥的原理图：

可以看到左右两边是一对对称的如下的结构：

这个结构在cmos逻辑电路中被大量应用，本质上是一个cmos非门。CPU里面理论上是大量存在的。在工作的时候，理想情况下，两个场效应管(FET)的导通或者截止收到In上的输入电压控制，上面那个FET和下面那个 FET会交替导通，所以out的电位就会随in的输入信号而变。
如果你搭一个H桥电路，并用它来驱动一些负载的时候会发现in端给的控制信号频率越高，H桥的管子就越热。原因是，当In端的输入信号发生翻转的时候，有那么一个瞬间，上面哪个mos fet和下面哪个mos fet都处于半导通状态，从而产生了从vdd到gnd的直通电流，由于电路的带宽是有限的，所以每次翻转的导通时间有一个下限。所以翻转频率越高，单位时间内发生同时导通的时间比例也就越高，从而有越多的能量变成焦耳热耗散调。
具体到CPU里面，某个部件的工作频率越高，那么它的热功耗越大。而CPU本身是有不同等级的闲置模式的，处于闲置模式的时候某些部分是关闭的，要么降频，要么直接关掉，都能不同程度地减少功耗和发热。

while(1)的时候，一方面更多的部件被开启，另一方面CPU的工作频率被提高，两个因素都提高了功耗，增加了发热功率。

作者: oLjwRgTm 时间: 2017-11-17 15:33
和频率成正比，和电压的平方成正比。但跑不一样的指令集功耗也不一样，就像一个人，你让他拼了老命去跑步，和拼了老命去考试，占用率都是100%，但功耗肯定不一样
而且TDP只是热设计功耗，超个频加个压功耗就很容易超过TDP值

作者: chaojiwantong 时间: 2017-11-17 15:33
片子功耗分两种，动态和静态。
静态上电就有，而且在目前的先进制程里反而占了大头。

动态逻辑翻转才有。

CPU的指令大致可以分为取指译码，计算，缓存访问这几部分。

一个while(1)，只占了取指译码，后两部分都不用动，所以，问题很明白了。

作者: 芯依电脑 时间: 2017-11-17 18:01
进来学习一下了进来学习一下了进来学习一下了

作者: f68 时间: 2017-11-18 06:51
都是行家、高手所谈论的既现实，又高深的问题，长见识啦！

作者: f68 时间: 2017-11-18 07:34
都是行家、高手，分析的很到位，长见识啦！

作者: f68 时间: 2017-11-18 07:40
都是电脑业的行家、高手，可能还有专家呢！各抒己见，论述很到位，长见识啦。谢谢各位给予知识！

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