功耗优化之CPU功耗和频率的关系

现在的处理器都支持DVFS - 动态频率电压调整，我们都知道DVFS的设计是为了low power，那么CPU频率和功耗之间的关系如何，运行在相同频率处理A任务和B任务功耗就一样吗？

同任务不同频率

在某Android平台，在单线程运行dhrystone的情况下， 可以看到随着DMIPS的增加(其实也就是频率的增加)，Power数据前期相对平缓，后面就变陡了，越高频率功耗增加的越多(7000 DMIPS 功耗是400mW，频率加倍 14000 DMIPS 功耗1380mW，虽然性能是2倍，但是功耗变成了3.45倍)

关于CPU功耗和电压频率的关系有一个公式，可以看到电压是以 $V^2$V2 的级别来影响功耗的

$P = C * V^2 * f$P=C∗V2∗f

• P是功耗
• C可以简单看作一个常数，它由制程和设计等因素决定
• V是电压
• f是频率

从这里也可以看到一个程序功耗优化的方向 - 多线程

假设A程序原来是单线程，需要2GHz的频率来运行，现在把A程序改造成2个线程的，那理论上两个cpu 1GHz就够(参考某平台A53 2GHz-0.8V 1GHz-0.6V)，而且处理时间相同
代入公式

• 单线程 2GHz
  $P_{single} = C * 0.8V^2 * 2GHz$Psingle​=C∗0.8V2∗2GHz

• 2线程 1GHz
  $P_{multi} = 2 * C * 0.6V^2 * 1GHz$Pmulti​=2∗C∗0.6V2∗1GHz

• 结果
  $P_{single} = 1.78 * P_{multi}$Psingle​=1.78∗Pmulti​

也就是说这种情况下, 维持效率不变, A程序的单线程会比双线程功耗高出78%

同频率不同任务

不同任务的场景相对复杂，比如有些任务是间断性性的，期间CPU可能处于空闲状态，当然功耗会低，为了比较方便，我们统一选取持续性负载的任务，测试期间一直占用CPU

在某Android平台上使用elephant stress的 分别使用单线程md5算法和sha-256算法，CPU都是处在最高频率，而且从trace信息也可以看到任务一直处于占用CPU的状态

• 任务1 sha-256算法

systrace CPU占用

功耗430mA 4V

• 任务2 md5算法

systrace CPU占用

功耗300mA 4V

从上面的实测数据可以看到，sha-256算法的功耗会比md5算法要高出45%， 虽然CPU都是在最高频率运行，中间也没有出现idle或者是空闲的情况。

关于这个问题有一篇知乎的文章知乎的文章讲的比较好，套用到上面的两个算法来看，可以简单理解为不同算法，CPU运行时候的指令是有很大差别的，不同的指令又对应不同数量和类型的晶体管，每条指令所要调动的晶体管数目不同(fetch，decode，excute，memory)，而功耗是被调动晶体管功耗的总和。

所以虽然我们看到同样的频率，CPU的占用率也是满的，但是功耗是可以差别很大。