CPU厂商应对之道 45nm远不是终点

　　曾有一位河北电信运维经验非常丰富的主管对记者表示，对于机房节能，他认为最为主要的就是解决CPU散热问题。他认为，在机房中，智能通风机系统和空调等常见的节能手段，虽然能够收到很好的节能效果，但只是治标不治本的权宜之计，真正的重点是要放在CPU散热上。他早在几年前就已经注意到这一点，可惜的是不论是媒体还是专家对芯片节能的关注都不够。

　　据专家统计，在除去散热等能耗的费用外，主要服务器耗能的三分之一是由CPU产生，服务器上磁盘、风扇、AC-DC转换器、主板等耗能仅占据服务器耗能三分之二。这就是高能耗所带来的能耗挑战。

　　高密度计算带来的尴尬

　　我们并不是对芯片耗能束手无策。如果我们意识到机房芯片的耗能问题，并采取高科技手段和运营策略，这个能耗增长趋势会得到有效控制并实现负增长。那么，什么的方案才能被叫做有效的解决方案?

　　理想方案之一就是提高芯片的运算速率，这样不但从芯片本身能节省大量能耗，同时也能间接降低由芯片散热所产生的空调能耗。但运算速率的提高，离不开芯片制作工艺的提升。

　　众所周知，制作工艺对于CPU生产十分重要，无论是提高主频还是集成更多的缓存又或是改进新的核心，这些都需要更为强大的制作工艺作为支撑。这种技术工艺就是我们通常所说的纳米制作工艺，它的长度单位代表在一块硅晶圆片上所集成的数以万计的晶体管之间的连线宽度。例如45纳米芯片，就代表门电路间的连线宽度为45纳米。

　　用户对计算速率的强烈追求，让CPU生产厂商不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。但是，通过高中物理知识就能够知道，晶体管间间距的不断缩短，让晶体管间感应起电的概率不断增加，专业词语称为“漏电”问题，泄漏的电流增加了芯片额外的功耗。单位面积内晶体管的数量越多，带来的漏电情况就越多。这虽然带来了高密度计算效率的提升，但是也带来了额外的电能消耗，尽管从整体系统来说，这是行之有效的节能体系。所以对于45纳米甚至更小芯片的追求是与节能发展之路并行的，并不产生矛盾，唯一的区别是主要矛盾和次要矛盾的关系。

　　好的节能芯片是在达到高能效的同时，最大地降低漏电及散热问题。根据艾默生公司公布的数据显示，在芯片级每降低1W的功耗，由此而带来的电源转换、配电系统、UPS、制冷系统和变压器等一系列的功耗降低，将会达到2.84W。对于CPU厂商来说，如何最大程度上降低芯片散热成为需要长期攻克的难关。

　　CPU厂商的应对之道

　　面对如此复杂的难题，CPU厂商从几年前就开始了对CPU节能之路的探索。

　　2005年5月，AMD率先打出节能牌，发布了高效能双核皓龙TM处理器。双核皓龙处理器采用了独特的设计，让计算速率提高一倍的情况下，消耗与原来相等的能耗95W，这在当时已经是非常不错的产品，凭借双核酷龙和后来发布的四核酷龙处理器，AMD产品风靡世界。但在45纳米的强烈攻势下，AMD芯片已经不再那么辉煌。

　　2008年，英特尔全面推出了具有划时代意义的45nm产品。45纳米在制程工艺上的进步使得晶体管密度提升到原来65纳米的三倍左右，而这最直接的表现就是能源的降低。45纳米制程的Penryn处理器是英特尔驱动高能效的典型代表，其最为重大的意义在于，从这一代制造工艺开始，英特尔采用了全新的半导体材料——基于铪的高-k栅介质和金属栅极晶体管材料，一改使用了近40年的多晶硅栅极金属氧化物半导体(MOS)材料，在取得更高运算性能的同时，有效解决了漏电流问题，从而控制功耗，芯片散热问题也得到极大改善。

　　在以往的状态中，休眠的处理器最低可切换到C4状态，此时核心电压会略微降低(EIST的功能)，核心时钟和PLL始终都会进行关闭，L2缓存的数据会部分地写入到外部存储器，而L1缓存则会完全地写入外部存储器而处于休眠状态，而在Penryn新的深层关机状态中，核心电压会降得更低，L1、L2缓存电路会完全地关闭，此时处理器的功率会降低到一个前所未有的高度，大大地降低了待机能耗。

　　节能效果显著

　　据了解，选用最新工艺的英特尔基于45纳米的High-K处理器，除了性能上比上一代芯片有了大幅度提升以外，其晶体管切换功率降低了30%，栅极漏电降低190%，使得该服务器处理器在闲置状态下其功耗仅有16瓦，远远低于上一代的30瓦。

　　同时，倘若选用低压处理器，英特尔的低压至强处理器比一般处理器省功耗30瓦左右，考虑一个拥有1000台2路服务器的数据中心，其一年仅服务器功耗节省(不包括UPS，空调等)2×1000×0.03×24×365=525600千瓦时(度)。倘若加上由于采用芯片节能而省下的空调费用，这个数字将更为庞大。

　　与Intel不断缩小芯片体积不同，AMD在芯片的软技能上推出了三大技术AMDPowerNow!技术、CoolCoreTM技术、双重动态电源管理(Dual Dynamic Power Management，简称DDPM)技术。一个标准的功耗为75W的处理器产品，在应用AMD增强型PowerNow!技术后，可以将能耗下降到50W以下，这样即可通过处理器功耗的下降使能源利用达到优化。这些软技能也受到很多客户的认可。