硬科技：x86處理器的電源管理簡史 省電篇

常看硬科技專欄的科科們，絕對不可能不知道不學無術的水球，吃飽閒閒就拼命考古、如痴漢裸奔般的野人獻曝給各位親愛的科科。在這個節能省碳愛護北極熊早已成為生活常識的當下，處理器絕對需要具備強大的電源管理機能，最起碼當閒閒沒事做時，就降低時脈或著關閉用不到的功能單元，也是站在時代浪頭的科科們必備的基礎知識。但各位科科知道在20年前，處理器這方面的技術是多麼的五窮六絕，而時下習以為常的省電技術，大多數也都是在Intel最慘烈的歲月，奠定結實的基礎嗎？

硬科技：為何遲遲不見市場上的高效能泛用處理器上看10GHz
為悼念Intel NetBurst的失敗而刻下的墓誌銘 (上)
為悼念Intel NetBurst的失敗而刻下的墓誌銘 (中)
為悼念Intel NetBurst的失敗而刻下的墓誌銘 (下)
硬科技：做為x86伺服器象徵的Intel Xeon處理器：混亂期(2004-2006)
硬科技：做為x86伺服器象徵的Intel Xeon處理器：轉型期(2006-2008)

不少人經常迷惑於琳瑯滿目的處理器電源管理技術行銷名詞，但只要記得1個重點就好：作業系統在近代電源管理扮演著主導性的角色。在1996年，也就是Intel發表Pentium Pro後沒多久，由微軟主導，結合Intel、HP、Toshiba、Phoenix等公司一起推動「先進電源管理界面 (ACPI, Advanced Configuration and Power Interface)」，這才是真正的故事起點。

古早利用BIOS控制、且功能極度有限的純硬體電源管理功能，逐漸被ACPI取代。畢竟只有掌握工作排程的作業系統，才知道目前系統中正在運行的所有程式，是否需要吃威而剛，能否偷塞「什麼都不做」的NOP指令 (在x86是”XCHG EAX, EAX”) 讓「炎上」的執行單元偷懶一下。一旦遭遇散熱功能全面失效、處理器或周邊硬體溫度完全失控、被迫強制關機時，讓作業系統補上最後一刀、而非外部硬體強迫斷電，更可將資料損失降到最低。所以每當Intel AMD (特別是後者) 推出新款微架構的處理器，也往往需要作業系統更新，才能充分壓榨其節能或「合法超頻」的潛力。

ACPI包含4種基本狀態：整體系統（G0~Gn）、周邊裝置狀態（D0~Dn）、處理器狀態（C0~Cn，C0代表正在執行指令，C1以後則是不同的省電模式）和其C0效能等級（P0~Pn），依據處理器利用率與I/O使用量等資訊，那個「n」數字越大，代表作業系統認為整台電腦越是「無聊沒事幹」。能否讓處理器擁有更精細的「換檔」，讓效能更可以剛剛好貼近作業系統眼中的實際需求，不多出一分力，並更快的切換不同的模式，就考驗著Intel和AMD的真本事。

Intel最早在筆電版Pentium III的初代SpeedStep，只有「最高時脈/最高電壓（HFM，High Frequency Mode，該處理器的最高時脈）」和「最低時脈/最低電壓（LFM，Low Frequency Mode，統一600MHz）」2種模式。到了為筆電完全量身訂做的Pentium M，引進了EIST (Enhanced Intel SpeedStep，代號Geyserville)，就變成以下的樣貌。EIST也持續演進到Skylake的SST (Speed Shift Technology)。

EIST：以Pentium M 1.6GHz為例

一步接著一步，在桌機市場，Intel在90nm製程NetBurst家族加入C1E (擴充型C1，或稱為強化暫停模式)，在2005年第一季的Prescott 600系列導入完整的EIST。另一方面，筆電市場的Pentium M支援到C4 (Deeper Sleep)，雙核心的Core (Yonah) 更多出Deeper C4，睡的更死。下面這張圖很清晰的描繪出Intel P6家族的電源管理演進，也象徵著Intel的x86處理器如何一步一步的踏入行動運算的世界。

Intel在Prescott核心的Xeon “Nocona” 補強了DBS (Demand-Based Swiching)，更能充分發揮ACPI的潛能。同時期的AMD CnQ (Cool'n'Quiet, PowerNow!的桌機版名稱)，也是基於相同原理的技術。這個3.6GHz的Xeon執行Red Hat Enterprise 4的範例，應該能讓各位科科瞬間茅塞頓開，一次搞清楚ACPI是怎麼一回事。

但在ACPI之外，硬體層面的溫度控管機制也同樣重要。有點電腦資歷的讀者請回想一下，某些知名硬體網站曾經播過的著名場景：拿掉初代Pentium 4的散熱器時，執行中的遊戲畫面會瞬間降格，散熱器放回去後，又恢復正常的速度，這就是Clock Throttling (時脈阻塞) 的作用，由初代Thermal Monitor (TM1) 塞一堆Stop Clock (STPCLK#) 訊號，但這並不會降低倍頻和電壓，實際作用並不會比塞入NOP指令，讓處理器大多數ALU單元休息一下好到哪裡去。

也因此，Intel在90nm製程的Prescott追加了以下項目：

• Thermal Monitor 2 (TM2)：可實際調控倍頻與電壓。
• Tcontrol及Tambient參數：可針對處理器內的熱量感應器 (一般放在最熱的位置，如浮點運算器和ALU的中間) 的回報溫度，過熱時就自動降低運作效能。處理器封裝邊緣的另一個熱量感測器，則用來控制風扇轉速。
• PROCHOT (Processor Hot) 腳位改為雙向訊號：有別於過去由主機板通知處理器過熱、必須降溫，當處理器過熱時，可反過來告知主機板、讓主機板從外部調降時脈，提供處理器以外的系統層級保護，尤其可避免主機板上的供電散熱零件，因過熱導致損壞。

為何筆者會刻意強調溫控的重要性，因為這剛好是同期AMD產品缺乏的特色。究竟有多麼重要？筆者任職於某週刊期間，就曾經在測試產品時，不小心沒裝好散熱器，燒了價值999美元的Athlon 64 FX-57，還讓公司賠了這筆錢。每當回顧這段往事，至今仍讓筆者科科地笑。

講完省電，接著就是「超頻」了，各位科科請不要忘記ACPI喔。科科。