电源和能耗，一个系统的视角

系统架构师或用户应该如何考虑性能、功率和能源问题？从一个系统设计者的角度来看，有三个主要的关注点。

首先，一个处理器需要的最大功率是多少？满足这一需求对确保正确的操作是很重要的。例如，如果一个处理器试图吸取超过电源系统所能提供的功率（通过吸取超过系统所能提供的电流），其结果通常是电压下降，这可能导致设备发生故障。现代处理器在峰值电流较高的情况下，功耗会有很大的变化；因此，它们提供了电压指数方法（voltage indexing methods），允许处理器放慢速度并在较宽的范围内并调节电压。很明显，这样做会降低性能。

第二，什么是持续功耗？这个指标被广泛称为热设计功率（Thermal Design Power ，TDP），因为它决定了冷却要求。TDP既不是峰值功率，它通常是1.5倍，也不是在某次计算中实际消耗的平均功率，它可能更低。一个系统的典型电源的尺寸通常要超过TDP，而冷却系统的设计通常要符合或超过TDP。如果不能提供足够的冷却，将使处理器的结温超过其最大值，导致设备故障，并可能造成永久性损坏。因为最高功率（因此热量和温升）可能超过TDP规定的长期平均值，现代处理器提供了两个功能来协助管理过热：首先，当热温度接近极限时，电路会降低时钟速率，从而降低功率。如果这种技术不成功，第二个热过载陷阱（trap）就会被激活，使芯片断电。

设计师和用户需要考虑的第三个因素是能耗和能效。回顾一下，功率只是每单位时间的能量：1瓦=1焦耳/秒。哪一个指标是比较处理器的正确指标：能量还是功率？一般来说，能量总是一个更好的指标，因为它与特定的任务和该任务所需的时间相联系。特别是，完成一项工作负载的能量等于平均功率乘以工作负载的执行时间。

因此，如果我们想知道两个处理器中哪一个对给定的任务更有效，我们需要比较执行任务的能量消耗（而不是功率）。例如，处理器A的平均功耗可能比处理器B高20%，但如果A执行任务的时间仅为B所需时间的70%，其能耗将是1.2×0.7=0.84，这显然是更好。

有人可能会说，在大型服务器或云中，考虑平均功率就足够了，因为工作负载通常被假定为无限大，但这是一种误导。如果我们的云端都是处理器B，而不是A，那么在消耗相同能量的情况下，云所做的工作会更少。使用能量来比较替代方案可以避免这个陷阱。只要我们有一个固定的工作负载，无论是仓库规模的云还是智能手机，比较能量将是比较计算机替代品的正确方式，因为云的电费和智能手机的电池寿命都是由消耗的能量决定的。

什么时候耗电量是一个有用的衡量标准？主要的合法用途是作为一种约束：例如，一个依靠空气散热的芯片可能被限制在100W。如果工作负载是固定的，它可以作为一个指标，但那时它只是每个任务的能量的真正指标变化。