節能高效的Skylake微架構CPU

英特爾第六代微處理器架構Skylake，業界對它有很高的期望：按照此前英特爾的介紹，它應該更強大，同時更節能。在其他配置相同的情況下，與使用Broadwell微架構處理器的系統相比，配備Skylake微架構處理器的筆記本電腦播放電影的時間應該能夠延長一小時，并且能夠提供更高品質的畫面。為了能夠兌現這些承諾，英特爾在新的微處理器架構中采用了一系列新的節能功能，優化主要集中在兩部分：第一部分影響所有配備Skylake微架構處理器的設備，并且與所使用的軟件無關，而另一部分的節能功能比較特殊，僅適用于Windows 10的用戶。

CPU的硬件優化

Skylake微架構依賴于少數的既定程序來實現處理器內部的節能功能，其中之一是，關閉不需要的，也就是所謂的“電源門控”，它可以切斷閑置部件的電源，其作用類似于配電盤上的切換開關。Skylake微架構安裝許多小功率柵極晶體管，負責判斷CPU上的特殊功能單元是否被使用，對特定的電源域進行管理。例如，如果不需要復雜的高級矢量擴展的浮點計算，那么CPU將完全停用它們。

按照“少即是多”的原則，Skylake微架構將L2高速緩存從之前處理器的8路關聯減少至目前的4路，得益于帶寬的提升，L2高速緩存關聯性的降低并不會對性能產生任何不良影響，但確確實實起到了節能的目的。另外，在Broadwell微架構處理器上內置的電壓轉換器已經被重新移到了主板上，這可以有效地防止CPU過熱。除此之外，在Skylake微架構下，諸如視頻編碼之類的計算操作將可以通過GPU等硬件進行處理，例如H.265視頻的解碼等任務將可以交給集成的GPU。這不僅更有效率，同時也可以起到節省電力的目的。

上述節電功能與結合Windows 10實現的節能功能相比顯得比較普通，結合Windows 10的節能功能中最重要的是英特爾動態節能技術Speed Step的繼任者Speed Shift，從Build 10586版本開始該功能已經被集成到Windows 10中，它主要用于控制處理器的時鐘頻率，與此前的版本相比，兩者之間的差異主要在于誰來控制CPU的時鐘頻率，是CPU還是操作系統？處理器通過施加電壓來決定CPU的時鐘頻率，控制CPU工作在各種不同的性能狀態（P-狀態）。P0（性能狀態0）是全速（Turbo），從P1、P2至Pn逐級降低。如果CPU處于空閑狀態，那么CPU將降低電壓，將時鐘頻率下降至Pn。如果一個程序對于運算能力有需求，那么CPU可以在大約30ms的時間內迅速地調整性能狀態。而當操作系統控制CPU時鐘頻率時，操作系統將掌控P1和Pn之間的所有性能狀態，CPU只負責控制最高一級（P0）。通過Speed Shift動態節能技術，Windows 10通過CPU來實現控制，Windows并不獨立地確定P狀態，而是簡單地根據需求的大小給出指示，由CPU判斷需要的時鐘頻率。Speed Shift這種結合兩者的方法比Speed Step的操作要快很多，從一個性能狀態轉向下一個性能狀態只需1ms。系統能夠以更高的速度做出響應，增加用戶的感知力之余，還可以節省電力，因為系統可以更快地切換到節能狀態。為了確保與CPU的完美結合，Windows 10提供一個能源估算引擎（Energy Estimation Engine），它能夠不斷地分析能源消耗的情況和使用這些數據估算功耗和剩余的運行時間。

與Windows 10完美協調

與Windows 10相關的另一個新的節能功能是Duty Cycle，它的原理是，空閑或者處理低負荷的任務時不再保持著較低的時鐘頻率工作，因為這會給用戶一種系統工作狀態不佳的感覺，而是在需要工作時迅速地將處理器（可能持續800μs）切換到一個較高的時鐘頻率，完成需要處理的任務，并在空閑時完全關閉。這種工作方式不僅能以更快的速度完成任務，而且與空閑時降低時鐘頻率的工作方式相比更節省電力。

對于幾乎從不關閉設備的用戶來說待機是一個很重要的功能，對于該功能，Skylake微架構下Windows 10可以提供一些新的選項。微軟的待機技術稱為“Modern standby”，它有3種不同的模式：其一是眾所周知的S3模式（掛起到內存，Suspend to RAM）以及Windows 8開始使應用程序處于暫停狀態卻能保持網絡連接的所謂“連接待機”（Connected standby），在這種狀態下Windows消耗的電力非常少，但喚醒的速度極快，而且待機狀態下甚至可以接收信息。而在Skylake微架構下，還可以支持“斷開連接待機”（Disconnected Standby）模式，它的喚醒速度非常快（500ms），與“連接待機”不同，它不需要固態硬盤或主板上的任何特殊的網絡硬件。