节能高效的Skylake微架构CPU

英特尔第六代微处理器架构Skylake，业界对它有很高的期望：按照此前英特尔的介绍，它应该更强大，同时更节能。在其他配置相同的情况下，与使用Broadwell微架构处理器的系统相比，配备Skylake微架构处理器的笔记本电脑播放电影的时间应该能够延长一小时，并且能够提供更高品质的画面。为了能够兑现这些承诺，英特尔在新的微处理器架构中采用了一系列新的节能功能，优化主要集中在两部分：第一部分影响所有配备Skylake微架构处理器的设备，并且与所使用的软件无关，而另一部分的节能功能比较特殊，仅适用于Windows 10的用户。

CPU的硬件优化

Skylake微架构依赖于少数的既定程序来实现处理器内部的节能功能，其中之一是，关闭不需要的，也就是所谓的“电源门控”，它可以切断闲置部件的电源，其作用类似于配电盘上的切换开关。Skylake微架构安装许多小功率栅极晶体管，负责判断CPU上的特殊功能单元是否被使用，对特定的电源域进行管理。例如，如果不需要复杂的高级矢量扩展的浮点计算，那么CPU将完全停用它们。

按照“少即是多”的原则，Skylake微架构将L2高速缓存从之前处理器的8路关联减少至目前的4路，得益于带宽的提升，L2高速缓存关联性的降低并不会对性能产生任何不良影响，但确确实实起到了节能的目的。另外，在Broadwell微架构处理器上内置的电压转换器已经被重新移到了主板上，这可以有效地防止CPU过热。除此之外，在Skylake微架构下，诸如视频编码之类的计算操作将可以通过GPU等硬件进行处理，例如H.265视频的解码等任务将可以交给集成的GPU。这不仅更有效率，同时也可以起到节省电力的目的。

上述节电功能与结合Windows 10实现的节能功能相比显得比较普通，结合Windows 10的节能功能中最重要的是英特尔动态节能技术Speed Step的继任者Speed Shift，从Build 10586版本开始该功能已经被集成到Windows 10中，它主要用于控制处理器的时钟频率，与此前的版本相比，两者之间的差异主要在于谁来控制CPU的时钟频率，是CPU还是操作系统？处理器通过施加电压来决定CPU的时钟频率，控制CPU工作在各种不同的性能状态（P-状态）。P0（性能状态0）是全速（Turbo），从P1、P2至Pn逐级降低。如果CPU处于空闲状态，那么CPU将降低电压，将时钟频率下降至Pn。如果一个程序对于运算能力有需求，那么CPU可以在大约30ms的时间内迅速地调整性能状态。而当操作系统控制CPU时钟频率时，操作系统将掌控P1和Pn之间的所有性能状态，CPU只负责控制最高一级（P0）。通过Speed Shift动态节能技术，Windows 10通过CPU来实现控制，Windows并不独立地确定P状态，而是简单地根据需求的大小给出指示，由CPU判断需要的时钟频率。Speed Shift这种结合两者的方法比Speed Step的操作要快很多，从一个性能状态转向下一个性能状态只需1ms。系统能够以更高的速度做出响应，增加用户的感知力之余，还可以节省电力，因为系统可以更快地切换到节能状态。为了确保与CPU的完美结合，Windows 10提供一个能源估算引擎（Energy Estimation Engine），它能够不断地分析能源消耗的情况和使用这些数据估算功耗和剩余的运行时间。

与Windows 10完美协调

与Windows 10相关的另一个新的节能功能是Duty Cycle，它的原理是，空闲或者处理低负荷的任务时不再保持着较低的时钟频率工作，因为这会给用户一种系统工作状态不佳的感觉，而是在需要工作时迅速地将处理器（可能持续800μs）切换到一个较高的时钟频率，完成需要处理的任务，并在空闲时完全关闭。这种工作方式不仅能以更快的速度完成任务，而且与空闲时降低时钟频率的工作方式相比更节省电力。

对于几乎从不关闭设备的用户来说待机是一个很重要的功能，对于该功能，Skylake微架构下Windows 10可以提供一些新的选项。微软的待机技术称为“Modern standby”，它有3种不同的模式：其一是众所周知的S3模式（挂起到内存，Suspend to RAM）以及Windows 8开始使应用程序处于暂停状态却能保持网络连接的所谓“连接待机”（Connected standby），在这种状态下Windows消耗的电力非常少，但唤醒的速度极快，而且待机状态下甚至可以接收信息。而在Skylake微架构下，还可以支持“断开连接待机”（Disconnected Standby）模式，它的唤醒速度非常快（500ms），与“连接待机”不同，它不需要固态硬盘或主板上的任何特殊的网络硬件。