Intel P4处理器热设计解析 冷酷到底 处理器热功耗概念

老鹰

P4时代是一个高热时代。Prescott核心把90纳米工艺引入处理器制造中，也带来了极度的“热情”。随着P4核心的更替和制程的更新，我们对散热器的奇异外形和高昂价格的接受能力也在不断增强，以下是两款纯铝和纯铜散热器的代表：



Thermalright XP120 售价：450元


CoolerMaster Hyper48 售价：495元 相比电脑内的其他的部件，处理器核心往往是发热最集中的部位：首先，处理器的功耗不断攀升，产生的热量递增，但制造工艺升级令处理器的表面积越来越小。导致的结果便是处理器单位面积释放以及瞬间释放的热量成倍增长。Intel处理器的功耗与电压，主频之间存在着这样一个关系：P=CV2F（P：功耗；C：系数；V：工作电压；F：主频）
为了缓解处理器面临的功耗发热问题，Intel和厂商使用了两种方法：Intel着重提高处理器自身的过热保护能力，并尽可能采用功耗智能管理方式调整处理器不同工作状态下功耗。本文的第一部分将着重介绍P4架构处理器的热功耗设计技术，过热保护技术和Intel制定的散热器规范，第二部分则涉及CPU散热器的相关参数。
这篇文章探讨的处理器，确切的说是使用P4 Netburst微架构的处理器。它包括使用Willamatte，Northwood以及Prescott核心的全部Pentium4，Celeron和Celeron D处理器。
在探讨处理器的热功耗以及散热设计之前，我们必须纠正一个长期以来被很多媒体错误使用的概念：TDP与处理器功耗。
2、 谬误：TDP功耗与处理器功耗混为一谈
这一概念在很多文章中都被错误的使用。我们必须首先分清，TDP和处理器功耗是两个相关但却泾渭分明的定义。反应一颗处理器热量释放指标的是处理器的TDP。TDP功耗的英文全称是Thermal Design Power，中文直译是“热量设计功耗”，所以，从中文的使用习惯上说，使用“TDP功耗”也是不正确的。要么就是TDP，要么就是热设计功耗。
TDP功耗是处理器的基本物理指标。它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位同样以W计量。TDP也并非恒定不变，但是单颗处理器的TDP值是固定的。而散热器必须保证在在处理器TDP最大的时候，处理器的温度仍然在设计范围内。但是，无论是在平面媒体或是在网络媒体的评测或是介绍中，TDP都与处理器功耗混为一谈。


Intel的文档中就指出了TDP不是处理器的最大功耗 处理器的功耗，确切的说是消耗的功率是处理器最基本的电气指标。根据电路的基本原理，功率（P）＝电流（A）×电压（V）。所以，一颗处理器的功耗（功率）是流经处理器核心的电流数值与加在该处理器上的核心电压的乘积。
处理器的核心电压与核心电流时刻都处于变化之中，这样处理器的功耗也在变化之中。在散热措施正常的情况下（即处理器的温度始终处于设计范围之内），处理器负荷最高的时刻，其核心电压与核心电流都达到最高值，此时电压与电流的乘积便是处理器的峰值功耗。
那么处理器功耗与TDP有什么联系呢？在处理器的功耗分为两部分：实际消耗的功耗和产生的热功耗。前者是处理器各个功能单元正常工作消耗的电能，后者是电流热效应以及其他形式产生的热能，他们均以热的形式释放。这类热量很大，单靠处理器自身是无法完全排除的，因此这部分热能需要借助外界的手段吸收，硅晶元才不会因温度过高而损毁。
两者的关系可以用这个公式概括：处理器的功耗＝实际消耗功耗＋TDP。从这个等式我们可以得出这样的结论：TDP并不就是处理器的功耗，TDP要小于处理器的功耗。虽然都是处理器的基本物理指标，但处理器功耗与TDP对应的硬件完全不同：与处理器功耗直接相关的是主板，主板的处理器供电模块必须具备足够的电流输出能力才能保证处理器稳定工作；TDP需要借助主动散热器进行吸收，散热器若设计无法达到处理器的要求，那么灾难就会发生。

3、 TDP与其他电气指标的关系
TDP作为处理器的基本参数，它的值取决于主要取决于最大核心电流：Icc Max，而TDP直接导致的结果就是处理器的Tc（case Temperature，直译为容器温度，后文会介绍）。处理器的核心电流越大，释放出的热量越大，TDP值越高，Tc也越高。具体的指标可以从Intel的文档中得到，我们列举了以下几款：

CPU	主频	PRB	最大电流	最大TDP	Tc Max
P4 660	3.6GHz	1	119A	115W	70.8℃
650	3.4GHz	0	78A	84W	66.6℃
640	3.2GHz	0	78A	84W	66.6℃
630	3.0GHz	0	78A	84W	66.6℃
P4 570	3.8GHz	1	119A	115W	70.8℃
560	3.6GHz	1	119A	115W	70.8℃
550	3.4GHz	1	119A	115W	70.8℃
550	3.4GHz	0	78A	84W	66.6℃
540	3.2GHz	0	78A	84W	66.6℃
530	3.0GHz	0	78A	84W	66.6℃
520	2.8GHz	0	78A	84W	66.6℃

上表列出了最新LGA P4处理器的相关数据。有一点说明，表中的数据是这款处理器的最大值。个别处理器的数值会低于表中的数据。通过这张表我们可以发现：并不是处理器频率越高，它的各项功耗指标就越高。为了保证主板对处理器的兼容性，Intel对不同处理器的功耗指标进行了严格的控制，一款处理器的最大核心电流，最大TDP以及最高Tc值之间也存在着关联。在同样的主频下，TDP值越小，处理器的品质越好。
什么是PRB？
在这张表里有一个参数很重要：PRB。明显的，PRB值为1的处理器的功耗要比PRB为0的处理器大得多。PRB的全称是Platform Requirement Bit。处理器的一个针脚会告知主板自己的这个针脚定义是0还是1。由于PRB=1的电气指标较高，所以只支持PRB=0相应规范的主板无法正常启动PRB=1的处理器。Intel使用775_VR_CONFIG_04A或04B来标示PRB=0或者是PRB=1的处理器。LGA775盒装处理器的包装盒上会注明.

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4、Intel P4架构处理器的过热保护机制
从P4诞生，Intel就在处理器中加入了过热保护机制，以防止在散热器无法有效发挥作用的前提下保证处理器的安全。Intel保护处理器的通常办法是在温度达到或超过设计温度的时候降低处理器的工作主频。
热量监视（Thermal Monitor）
热量监视功能是随P4一起诞生的，只要采用NetBurst架构的处理器，不管其核心是Willamatte，Northwood或是Prescott，都会具备TM功能。它的主要功能是监视处理器的温度，TM保护处理器是通过处理器内部的热量控制电路（Thermal Control Circuit）来实现的。TCC内建在CPU内部，所以TM不需要软件或是用户设置。一旦CPU出厂，TM的设置便不能由第三方进行修改。所以TM是非常底层的硬件保护机制。
2.1.1TM是如何保护CPU的呢？
当处理器的温度上升达到一定的值后，TCC便被自动激活。处理器内部的时钟频率信号进行周期性的终止和激活，这一切会发生在TCC启动后的3微妙内，可以最大程度的保证处理器的安全。当处理器的工作温度接近预设的最高温度时，以及TCC动作之前，处理器的频率改变会有一段时滞；一旦处理器的温度下降到预设最高温度以下，时滞期过去之后，TCC便停止工作，处理器的时钟频率调整便结束。TCC激活后，其工作的时间间隔是固定的，隔一段时间便会停止激活，如果处理器温度仍然高于设计值，则继续激活。
TCC工作之后，处理器的频率会产生不可避免的变化，性能也会下降。所以，散热设计应当是尽可能将处理器的温度控制在TM设定的最高值以下，避免TCC激活。Intel对散热设计的标准是这样的：
2.1.2 符合要求的设计
与大家期望可能有些差距，Intel对符合要求的散热设计的规定很宽泛：如果在这个散热系统下，处理器的TCC电路会在负荷最重的时候被激活一段很短的时间，那么这款散热系统的设计就是合格的，而这时TCC电路激活对处理器性能产生负面影响可以忽略不计的。从这段要求中，我们可以理解，即Intel允许处理器的温度在一段很短的时间内超过TM设定的上限。
2.1.2.1 Tomshardware在http://www6.tomshardware.com/cpu/20041114/index.html 中提到了Intel原装散热器的问题。大家仔细的阅读这篇文章后再比较Intel对符合要求的散热设计的定义，就能在一定程度上理解这个问题不是原装散热器的错，而是Intel的标准过于宽泛了。
2.1.3 有问题的散热设计
如果处理器是由问题散热系统进行冷却，那即使在Intel规定的环境温度下，TCC激活的次数也会明显增加，在这样的情况下，TCC激活引起处理器性能的下降是能被察觉到的。在某些情况下，处理器的Tc温度会上升并超过了Intel的设计指标，这对处理器长期使用的稳定性是不利的，也会影响处理器的寿命。
2.1.4 不合格的散热设计
即使在TCC持续激活，主频下降的前提下，处理器温度仍然不能有效的下降至设计温度以下，那么这款散热系统的设计就是不合格的。
5、热量监视（Thermal Monitor 2）
TM2是Intel在LGA775封装的Prescott核心处理器中增加的新的过热保护机制。TM2是新的功耗管理和热量监视机制。与TM相比，TM2可以提供更智能，更有效的处理器热量功耗的管理方式，在保证处理器基本性能的前提下尽可能在满负荷情况下降低处理器的功耗和温度。
TM2的主要工作方式仍然是通过TCC进行处理器主频的控制，不过它被称为“Enhanced TCC（增强型TCC）”。e-TCC通过调节两个参数来降低处理器的功耗：处理器的倍频和输入电压，与移动处理器节能模式非常类似。
TM2为处理器的工作状态预设了两个点：第一点的工作状态是正常的主频和核心电压；第二点是低主频和低电压点。一旦TM2侦测到处理器的温度上升到预设的警戒温度时，e-TCC电路被激活，调整处理器的第一点主频和电压，朝着第二点的预设值转换。这一转换的过程非常快――仅5微妙。在转换的这段时间之内，处理器不能响应系统总线的访问请求的。
处理器的主频降到预设的低值之后，便会向主板上的电压控制模块发出新的电压识别信号（VID Code）。因此，要实现TM2，主板的电压控制模块必须支持处理器的多电压转换过程，具备较低的电压输出能力。在处理器电压转换的过程中，可以接受系统总线对其的访问，执行指令。
处理器温度下降到正常值时，处理器的工作主频和电压便会朝正常的值上升。首先上升的电压，这样可以保证处理器恢复到正常频率工作后的稳定性（因为低压高频一般会导致处理器工作不稳，就像加压超频的原理）。





一款支持TM2的处理器在TCC激活的情况下发生的变化。当温度触及设计上限时，首先是PROCHOT＃信号变为低电平，接着主频下降至低点预设值。电压在保持一段时间后会以0.0025v为步进下降，到达预设低点。温度下降一段时间后PROCHOT#变为高电平，首先是电压重新上升到正常值，接着主频会恢复到正常水平。PROCHOT＃（信号）
PROCHOT＃信号是“处理器过热信号”。在上图中，我们可以看到，PROCHOT＃是一个独立的信号，只要处理器的核心温度触及设计上限，即便变为低电平。当这一信号低电平之后，其他控制处理器温度的硬件机制才开始启用。
PROCHOT＃低电平时，TCC就会被激活。在Intel的处理器上，PROCHOT＃针脚可以接受双向的信号输入，可以输出信号也可以输入信号。这样，系统制造商可以重新进行硬件配置，以达到在某些应用情况下通过PROCHOT＃信号来激活TCC的目的。这种例子在主板设计时较为常见：PROCHOT＃信号可以被用来保护系统的其他组成部分。
一个例子是保护电压调节模块：如果主板侦测到供电模块的温度过高，那么就会通过PROCHOT＃来激活TCC电路，让处理器的温度下降。处理器的温度和负荷下降之后，主板的电压调节模块的温度也可以下降，保护了主板，有利于主板的长期稳定运行。
On-Demand模式
P4架构的处理器还提供了一种辅助控制功耗的机制：On-Demand模式。在On-Demand模式工作下的处理器，可以借助系统软件使其强制进入低功耗状态。与TM机制中的TCC的方法一样，On-Demand模式启动的时候处理器的主频也会因时钟信号的定期开启和关闭而下降。不过采用LGA775处理器的系统不能在On-Demand模式下用软件来降低处理器的温度，On-Demand模式只能降低系统的整体功耗。通常情况下，On-Demand模式可以与TM一起发挥作用，但是TCC对处理器主频的控制优先级要高于On-Demand模式。
THERMTRIP＃信号
如果散热系统已经完全失效：比如风扇没有通电，或者是处理器和散热器底面之间被架空，处理器内部的温度会急剧上升，（Prescott核心的表面积很小，因此热量会集中释放），超过Tcase最高值20度以上，THERMTRIP＃便被激活，处理器会自动切断其电源供应。在实际应用中，就是机器会突然自动关机：这是Intel过热保护机制中的最后一环：如果此时系统不能及时反应，处理器就会遭到永久性的破坏。因此，一旦THERMTRIP＃信号出现，处理器便会中止内部时钟信号，并移去加在处理器上的电压，切断电力供应。以降低处理器的温度。

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6、 Intel的几个温度数值
Ta
Ta是指环境温度。即处理器工作环境的温度。Intel为P4 5系列和6系列设定的环境温度为38℃。它的含义是如果在高于38度的环境下，那么使用盒装散热器是无法保证对应的处理器的温度均在设计范围之内（可以使用更强力的散热器）。那么这个38度是怎么测量的呢？Intel对这个有严格的规定：




从侧面看，测量点是距离风扇上方3-8mm的位置



从上方看，一共有四个测量点，取四个点的平均值。
所以，38度的数值不是随便就能得到的，它有严格的测量位置要求。此外，Intel还为使用被动散热的系统的环境温度的测量规定了位置：


采用被动散热的系统，环境温度的测量点的高度是距离主板51mm的位置，从上方看，需要测量的点有两个，它们位于近气流方，离散热器边缘13－25mm的位置。Tcase
Tcase是Intel标示处理器温度的数值中最重要的一个，其具体数值是在实验室条件下用外测法测得的。测量点是处理器表面IHS的几何中心：


Prescott核心面积小，发热大，因此中心点的温度是IHS表面最高的。但核心与铝盖（IHS）之间存在热传递的损失，IHS测得最高温度还是要低于核心实际的最高值。不过，在我们的使用条件下，Tcase几乎是不可能准确测得的。
如果使用温度探头，那么必然会架空散热器，处理器温度偏高，如果在散热器底部开槽预埋温度探头，那么散热器底部的结构会被破坏，测得问题仍然会偏高。
Tdiode是由内置在处理器内部的二极管读取的数值。二极管的正负极输出信号，可以由主板的温度传感器读取，经过特定的电路进行转换。Tdiode读取的数值应当是最为接近处理器实际温度的。
2.5.3 Tcontrol
Tcontrol定义了处理器集成的二极管的工作温度。二极管温度的数值控制着风扇的转速。Tcontrol还规定了处理器工作的精确温度区间，这样风扇的噪声可以得到较好的控制。Tcontrol的引入使得散热器在维持处理器正常工作温度区间的前提下尽可能减少噪声。
Tcontrol的数值受到一系列因素的影响，最重要的是处理器闲置时的功耗。很明显，如果运行相同的程序，Tcontrol值较高的处理器会释放出比Tcontrol值较低的处理器更多的.