2019-02-23 09:04:37 老狼zhihu

2核，4核，8核，16核。。。核競賽硝煙瀰漫，各個芯片廠商摩拳擦掌，不停的向CPU中塞入更多的內核。吃瓜群眾越來越疑惑，“為什麼我就不能做個安靜的美男子，那麼多核我用的上嗎？”。本番外篇為你介紹Intel提高單線程處理能力的利器：睿頻技術。

原理篇

2核，4核，8核，16核。。。核競賽硝煙瀰漫。我們都知道操作系統調度的最小單位是線程（Thread），我們要使用這麼多內核，必須對應用程序作出極大優化，將任務並行化處理交給不同線程。任務並行化有很大的難度，稍不小心就會造成死鎖，調試起來也相當麻煩。事實上現在很多應用程序和遊戲，在大多數情況下都是隻有一個線程在運行，在個別內核極度繁忙時，其他內核卻無事可做，可謂忙的忙死，閒的閒死。如何才能把閒置資源調動起來，讓這個內核處理速度加快呢？

還是舉我們在Cstates文章中的那個例子。想象一下，我們的那個有八個大車間的新工廠，廠房乾淨漂亮，傳送帶筆直乾淨，各個廠房之間有寬闊的道路，到處照明充足。這次我們有了上次的經驗，在需求不足時關閉不用的車間，節省了電力。但是這次我們有了新的煩惱：有些產品只能在特定的車間組裝，而這些產品需求量非常大，簡直是供不應求。看著工廠各處忙閒不均，你陷入了沉思，如何才能利用起來空閒的產能呢？你靈機一動，你找人安裝了一套電力轉換器，可以隨意調度各個車間的電力分配，並給生產機器人也加入了超頻裝置。這樣你把空閒車間的電力轉入這個忙碌車間，新注入的電力讓生產線加速運轉，機器人也像打了雞血般瘋狂運行，產出快多了！你一邊盤算著年底的加薪，一邊小心控制著電力注入，畢竟變電器爆掉或者產線過熱著火就得不償失了。睿頻幾乎也是一樣的道理。

歷史

一個提高CPU主頻的辦法就是超頻。熱管，水冷，甚至液氮都向CPU上面招呼，各個論壇上超頻愛好者們都在討論如果榨出CPU所有的潛力，超頻也是不少主板廠商的賣點。但是超頻要適可而止，當水冷系統忽然壞掉，你的CPU和主板變成一堆昂貴的磚頭，就欲哭無淚了。Intel一直在研究如何能在CPU運轉不超過TDP （Thermal Design Power，散熱設計功耗）的情況下，提高CPU主頻。睿頻（Intel Turbo Boost ）技術隨之誕生，有人叫它“官超”（很不準確）。

1. 睿頻1.0

第一代睿頻，在Nehalem 引入。核心功能是當部分內核空閒，進入CStates。內置的電能控制模塊會把它們的電力轉入忙碌內核，提高他們的電壓和頻率，使之超過標稱主頻，一般都有超過10%-20%的加速效果。這樣做的前提是整體功耗不超過TDP。如下圖：

2. 睿頻2.0

在Sandy Bridge 引入。在這一代，主要的提高是將GPU也納入了整體調節範圍，在GPU不太忙碌的情況下，其電能也會被轉入忙碌內核，反之亦然。另外一個很重要的改進是不再受TDP的硬約束，可以短暫的超過TDP運行，直到溫度傳感器達到特定閾值才緩慢回落。這樣可以更好地處理突發任務。新加入的功能帶來了複雜性，Intel也提供了應用程序方便用戶查看狀態，後文有詳細介紹。

3. 睿頻MAX 3.0

在Skylake引入。主要是識別處理器中速度最快的內核，並將最關鍵的任務引導至此，進而達到最佳化的效能。必須要指出它不是睿頻2.0的替代品，它旨在提供靈活性和彈性，讓處理器發揮更大效能。它的實現比較複雜，需要安裝特別的驅動程序和軟件，BIOS也需要做不少改動。它不在本文的討論範圍裡。

以上都可以在Intel的官網上找到相應資料和軟件，大家可以自行搜索睿頻即可。

實現

除去睿頻 MAX 3.0外，睿頻2.0和1.0都不需要安裝特殊的驅動程序，OS只要支持EIST (Pstates)即可，它對OS是透明的。如前文介紹EIST中報告Pstate時說明的，我們在支持睿頻時需要將P0留給Turbo Mode也就是睿頻模式使用。CPU在睿頻打開時，在收到進入P0的請求後，會自動根據算法將進入Cstate的內核的電力轉移到P0的內核上，加壓和提高頻率。

這裡需要指出的是在Sandy Bridge 之前，單個處理器內所有的內核都是在一個ACPI的Power Domain裡，意味著睿頻要工作，內核要不在P0，要不在Cstate，沒有中間狀態。