门控电源与Turbo Mode

    以上是Nehalem在性能方面的改进，下面我们主要来关注一下Nehalem的功耗设计。

功耗的组成部分与工艺的关系

    芯片的功耗主要由两部分组成：动态功耗与静态功耗。动态功耗指的是在芯片在工作时，由于晶体管需要开启-关闭，以及电源网络、传输线上的信号翻转所造成的功耗。静态功耗指得是芯片无论是否工作都要引发的功耗。（详细介绍可以参考：http://www.itocp.com/viewthread.php?tid=16611&highlight=%2Bspinup）。在130nm以前，芯片的功耗主要是动态功耗，静态功耗所占比例很小。而在90nm以后，由于特征尺寸变小，漏电的问题越严重。芯片在设计时就不得不考虑静态功耗的问题。在之前CPU厂商所发布的桌面处理器中，很少考虑静态功耗的问题。直到最近几年，这个问题才逐渐被大家所重视。Intel早先发布的45nm Penryn处理器，就通过使用High-K介电质和金属门减轻了静态功耗的问题。而在芯片处于空闲时，使用降低频率和工作电压的方式，来削弱漏电流的影响。但是这仍然无法完全解决漏电引起的问题。尤其在芯片处于空闲时，大量的逻辑门单元和复杂的时钟网络仍然需要耗去一定的电量。

Nehalem中的功耗控制单元

    优化芯片的功耗水平，需要从多方面着手进行。目前已经出现的功耗优化技术主要包括：针对应用使用功耗优化的软件算法，在软件编译时生成低功耗的代码，使用功耗优化的架构和微架构，将芯片划分为多个时钟域或/和电源域、将不同的应用需求分配到不同域的电路中完成，门控时钟和门控电源、降低电路的电压或/和频率，使用低功耗的材料和工艺如铜互联、High-K介质、高阈值晶体管等等。Nehalem中几乎采用了硬件可用的所有方面的技术以保证较好的功耗水平。

    在架构和微架构层次，正如我们前面所讲到的，Nehalem通过加入了SSE4.2和增强的虚拟机减少了特定任务的操作数量，并通过支持SMT、优化的宏融合、循环流检测器、分支预测和对非对齐高速缓存访问的增强提升了处理器的能耗比。下面让我们来看一下其他的方面。

    首先是多时钟域结构。Nehalem的芯片分为两部分：核心与非核心部分。时钟由位于主板上的晶振和对应的PLL产生，并传送入非核心部分。非核心部分将这个时钟（BCLK）分频，为每个核心产生单独的时钟。因非核心部分工作在较慢的时钟域下，有利于减少非核心部分的功耗；核心部分被设计的非常高速，以达到更高的计算能力。

Nehalem中的门控电源

    其次是门控电源。门控电源与门控时钟原理类似，都是采用逻辑电路来动态控制电路的电源或时钟。在电路不工作时，控制端即会关闭晶体管，电路的电源即被切断。这样对应的电路就不会产生任何的功耗。与门控时钟相比，门控电源对功耗的降低作用更加明显，因为消除了电路在不工作时的静态功耗；但相应的，使用门控电源也会增加电路的唤醒时间。因为在门控时钟关闭时，电路的时钟停止工作，但电路里的数据因为仍有电源所以仍然可以被保存起来；而门控电源切断时，唤醒则需要再次从外部加载相应的数据。Nehalem对每个核心都使用单独的门控电源，在核心不工作时，相应的电源可以被动态的切断，而不影响其他核心上执行的程序。

    然后是动态调节电压和频率。由于动态功耗和工作电路的电压、频率关系重大（动态功耗=常数*电容*频率*电压*电压），因此降低电路的电压和频率对于降低功耗具有重要的意义。Intel在多年以前就开始使用EIST技术以动态降低工作电路的电压和频率，但在Nehalem中，Intel对优化功耗的技术有了进一步的诠释。

Turbo Mode

    这种技术被成为Turbo Mode（加速模式）。Intel相信，降低处理器的功率并不是唯一的解决之道。提高能耗比，在完成相同的任务量前提下减少耗电，或者在相同耗电量的前提下完成更多的任务，才是评价处理器效率的标准。Turbo Mode正是基于这种思想的产物。Turbo Mode可以通过软件或BIOS开启或关闭。在打开Turbo Mode时，处理器可以自动侦测CPU的负载情况，智能的关闭不用的核心，并提高其他核心的性能。在极端的情况下，如果只运行单线程程序，其他三个核心可以全部被关闭，并对运行任务的核心进一步提升工作频率。Turbo Mode的出现真正做到了按需供电、按需提供性能。

    最后，Nehalem也使用High-K介质和金属门等Penryn处理器上刚刚采用的工艺，从制造角度降低了处理器的功耗水准。