正确看待处理器核的功耗数据

　　具有板级设计经验的工程师一般对于处理器芯片的功耗水平都了如指掌，给定芯片的实现工艺和工作频率，就可以推断出处理器的功耗。然而对于可授权的处理器核IP来说，这种经验是非常不准确的。

　　处理器芯片的功耗数据是测量芯片封装中所有电路功耗得到的结果，而可授权处理器核的功耗分析基于仿真的结果，IP供应商公布的功耗数据有可能忽略掉一些产生功耗的功能模块。影响可授权处理器核功耗的因素有很多，包括芯片实现的工艺水平(制程和线宽)，物理单元库以及进行功耗分析时运行在处理器上的测试程序。因此，在比较两家处理器核的功耗水平时，要格外小心谨慎，因为规格文档中的数据很可能基于不同的条件，不具有可比性。例如，分别采用TSMC 0.18μm G制程和0.13μm LVLK制程，采用针对功耗优化的综合方式，并且此数据不包括时钟树上的功耗。

　　下面具体来看脚注中所列的条件

　　●工艺制程：TSMC的G制程是通用低成本制程，而LVLK 制程为高性能制程，它采用低阈值电压的晶体管，虽然增加了静态漏电功耗但是因为工作电压更低所以动态功耗大大降低。即使线宽相同，采用不同制程的芯片功耗水平有可能相差50%或更多。只有在相同工艺制程下的数据才具有可比性，如果功耗数据基于的工艺制程不同，虽然可以根据经验推断其它制程下的功耗，但那无疑是不准确的。

　　●综合优化设置：处理器的功耗数据是综合工具针对功耗进行优化的条件下得到的。除此之外，综合工具也可以针对面积和速度进行优化，每种优化设置下得到的处理器主频，面积和功耗水平都不相同。实际上，处理器核规格文档中所列出的最高主频，最小面积以及最低功耗，很可能是分别采用不同的综合优化设置得到的，如果文档中没有明确列出综合条件，最好向IP供应商问清楚。

　　●未计入功耗的电路：功耗数据中没有包括时钟树上的功耗。因为时钟树部分运行在处理器的最高频率上，一般来说，时钟树上会有大量的动态功耗，不计入时钟树的功耗会使整个处理器的功耗数值减小30%～50%，而处理器正常工作是离不开时钟树的。显然，如果一个处理器核的功耗计入时钟树而另一个不计的话，两相比较是毫无意义的。

　　注意，还有四个关键因素，包括：工作电压，综合过程中使用的物理单元库，功耗数值是布局布线之前还是之后得到的以及进行功耗仿真时运行的应用程序，这些因素也会对处理器核的功耗水平产生重要影响。以130nm工艺为例，处理器的工作电压范围大约是1.2V～0.6V，工作电压的不同会导致动态功耗的不同。因此，一定要弄清处理器核规格文档中列出的功耗数据是在什么工作电压下得到的。

　　综合过程中使用的物理单元库同样对功耗有很大影响。表1列出了五种Tensilica钻石标准处理器核的功耗数据。所有这些数据都基于TSMC 0.13μm G制程，但使用不同的物理单元库和工作电压(这里的数据都包括时钟树的功耗)。表1所列每个处理器核的功耗包括动态功耗和静态功耗两部分。动态功耗会随主频线性增长而静态功耗不会。

　　低功耗的数据是以ARM的Artisan Metro单元库实现，在0.6V工作电压下通过仿真获得的，由于制程、单元库和综合优化选项的限制，低功耗处理器的主频一般低于100MHz。高性能的数据是以ARM的Artisan SageX单元库实现，在1.2V工作电压下仿真获得的，同样的处理器核心此时功耗更高，但是主频也较高，通常可以达到200MHz以上。

　　表2所示为5款钻石标准处理器在TSMC 0.13 G和90 G工艺制程下采用ARM的Artisan SageX单元库，针对速度进行优化综合后的动态功耗比较。可以看出采用更先进的90 G工艺，单位频率下的动态功耗有了显著下降。采用TSMC的90 G工艺，处理器主频相比采用0.13 G工艺可以提高近50%。

　　另外一个决定处理器核功耗数值的因素是功耗仿真发生在布局布线之前还是之后。一般来说，布局布线后处理器的面积会增加10%～15%，面积的增加带来了电容的增加，相应的导致动态功耗的增加。表1和表2中列出的功耗数据都是布局布线后的功耗仿真结果。

　　除了前面所讲的这些影响功耗数据的因素外，还有一个重要的因素：进行功耗仿真时，处理器在执行什么程序？如果处理器在循环的执行空操作，则得到的功耗数值比处理器进行运算时得到的小很多。所以说功耗仿真时处理器上运行的基准测试程序也会影响得到的功耗数值。

　　目前还没有专门针对处理器核的功耗基准测试程序。业界著名的基准测试组织EEMBC开发了一套用于处理器芯片的功耗测试基准程序EnergyBench，但前提是要有已经物理实现了的处理器芯片，它不能用于处理器核的功耗仿真。业界最常用来做功耗基准测试的程序是Dhrystone的2.1版本，一个用来比较处理器性能的基准程序。表1和表2中列出的功耗数据都是基于Dhrystone基准测试程序进行仿真分析的结果。

　　综上所述，公平的比较两个处理器核之间的功耗水平需要保证前提条件一致，而这是很困难的。在比较之前，一定要从处理器供应商那里弄清前面所讲的各种前提条件。