CPU的功耗和什麼相關？為什麼一個while(1);就可佔滿CPU的功耗？

01-05

假設CPU為單核，那麼一個最簡單的死循環就幾乎能佔滿CPU的TDP了.
那麼CPU的功耗到底和什麼有關呢？這裡一個死循環難道要調用上億個的晶體管滿負荷運行？如果只要佔用極少量的晶體管運行那為什麼還能有那麼大的功耗？

CPU 100%說的是CPU time，不是功耗。

寫一個簡單的while(1)死循環就可以佔滿CPU time，是因為這是你給電腦的指示，你告訴電腦要儘可能多的執行這個程序。電腦就會把所有可以給它的時間都給它，導致沒有Idle時間。

然而這個100%並不是真的100%，他只是拿走了所有可供使用的時間，操作系統沒有傻到讓一個死循環把CPU全部拿走。如果這時候你再寫一個while(1)死循環，或者說開一個需要CPU的大程序，就會發現之前的死循環佔用的不是100%了。

CPU time 100%不代表他佔滿了TDP。

不同的instruction帶來的能量消耗是不同的。我猜測branch應該是一個消耗相對小的instruction，因為它不需要計算，不觸發cache，只修改pc。因此我比較懷疑你認為你的死循環佔滿了TDP的觀點，我認為他可能只是用了所有的CPU時間，而距離到達功耗的極限還有很大的距離。

滿負荷運作的CPU，並不意味著使用到了所有的晶體管。

事實上，任何情況下，CPU上的晶體管都只有很小很小的一部分在「工作」。如果CPU上的晶體管同時「工作」，你電腦瞬間就炸了。所以無論是簡單的while(1)死循環，還是複雜的大遊戲，在某一時刻其實都只用到了一小部分晶體管，大部分晶體管是處於「閑置」狀態的。

能耗其實是阻礙CPU高速工作的攔路虎。

隨著器件越做越小，CPU上的能量密度是越來越高的，而在散熱有限的情況下，如何降低能耗其實是CPU設計中很重要的一部分。讓盡量少的晶體管同時工作，就是其中很重要的一個原則。

CPU 100% 不代表所有的元器件都在幹活，只代表這個CPU別人不能用。

CPU佔用率不是功耗

100%表示CPU所有的時間都在用來執行你的程序，而不是CPU所有功耗都在用來執行你的程序

你說死循環程序可以佔滿TCP，怎麼測算出來的？

我寫了一個for(;;);的無限循環，開了8個實例運行，AIDA64測了一下功耗，34.22W

然後我隨便開了8路並行build了一個boost，48W

提問者說區區一個無限循環就可以佔滿TDP，並不準確

while(1);

並不是沒有指令執行，翻譯成彙編大概是:

loop:

jnz loop

你看處理器一直在執行那個跳轉指令

非要類比的話…類似於你躺在床上胡思亂想一宿，不能說你睡了一晚上吧？

順便一說,現代處理器執行這個不會到達tdp上限，通常都是涉及到l1或者fp simd才會

首先是佔滿CPU時間而不是CPU功耗。

佔滿CPU的「TDP」沒什麼意義，因為TDP本來就是熱設計功率，和實際值差距會很大（一睿頻就很可能超）。

我來給個猜想/解釋吧。

CPU功耗分動態功耗/靜態功耗。高cpu時間，頻率自然也上去了，所以就是動態功耗佔大頭。

但是肯定不會達到理論最大功耗，原因是死循環的確沒有用到那些複雜的計算單元。

可是看看cpu的結構圖，緩存佔了很大一片面積，而你cpu時間佔用100%，cpu顯然不會讓緩存閑下來，所以緩存就成了耗電大頭。——CPU還沒智能到意識到你在故意死循環，從而關閉部分緩存休眠（這通常發生在部分核心關閉，或者低CPU時間佔用的情況下）

CPU的緩存是SRAM，功耗和頻率關係很大（參考Which-one-requires-more-power-consumption-SRAM-or-DRAM）。CPU時間上去了，自然會抬升CPU頻率，緩存頻率也會跟著上升，功耗也就不可避免地往上漲了。

是時候拿出這張圖了：

Haswell核心架構圖

While(1)的時候，基本是圖上紅框裡面的單元在全速工作，其它的或者完全休眠，或者只有部分參與，或者低速工作。你覺得實現紅框裡面的這些單元使用的晶體管有多少？

當然，這是現代的CPU，具備完善的功耗控制單元。老式的CPU中，其它部分就算不工作，也是在高速運行的。不說while(1)了，閑置不動也一樣在消耗功率。

電腦沒別的,就是實誠,你寫個死循環,按電腦理解就是讓它玩命執行,循環越多次越好.

這時候如果是英特爾的cpu,首先睿頻調最高,擼起袖子加油干.

然後cpu內置current limit throttling激活了,這時候達到最高電流,也就是瞬間最高功率,此時瞬時功率大於TDP.

過幾秒溫度上升,另一個保護電路激活,也就是Thermal Throttling激活,cpu適當降頻,功耗接近TDP,隨時間與散熱能力達到一個平衡值.

當然實際中執行一個死循環很多時候不會佔用100%cpu時間,以上只是一種理想狀況.

所以這幾個概念其實不怎麼挨著.

CPU佔滿並不是代表CPU中所有的模塊都在滿負荷工作工作，比如IO模塊、緩存模塊。相同頻率下，浮點運算單元的功耗要比整型運算單元高多了。此外級緩存也是CPU的一個非常耗電的模塊

NOP指令也是指令，別拿豆包不當乾糧

回想一下你思考這個無意義(物理上)的問題大腦耗了多少能量，你就理解CPU為什麼功耗能那麼高了。(???)

小夥子，根據你提的問題來看，你怕不是應該先去了解一下什麼是「分時操作系統」吧？

while(1) 只是強行佔用了大量的時間片而已，占著茅坑不一定要拉屎啊！

TDP是散熱設計功耗，不是CPU的功耗，是用來指導設計散熱系統的。

死循環看起來雖然簡單，乾的工作簡單不代表就不需要能耗啊。此外，題目中所說應該CPU利用率高。

在幾十年前Dennard Scaling還有效的時候，晶體管功耗隨工藝發展成比例下降，單位面積晶體管功耗不變。也就是說用了更好的工藝以後，雖然單位面積晶體管成倍增加，但功耗保持不變。這時候絕大部分的晶體管都可以同時工作。Dennard Scaling失效以後，工藝改進，單位面積功耗會不斷上升，為了維持總功耗不變，只有一部分晶體管能同時工作，這是Dark Silicon。

晶元的功耗主要分為兩類，靜態功耗和動態功耗。

靜態功耗又叫做漏電（leakage），晶體管本身也是導體，只要有輸入電壓就會一直有微弱電流通過，不管有沒有在工作。而要消除靜態功耗，需要完全斷電（power gating）。降低電壓會降低漏電流也會改善靜態功耗。

動態功耗來自於狀態改變（1-&>0或者0-&>1）時電容充電和放電過程消耗的電能。由於晶元都是時鐘驅動的，而時鐘會一直在變，鎖存器一類的電路在時鐘變化的時候也會發生狀態變化，即使輸入輸出不變，只要有時鐘在驅動，它會一直產生動態功耗，哪怕它什麼都沒做。動態功耗正比於電壓平方、頻率和電路的電容。由此可見，我們有兩種方式可以降低動態功耗，當電路不在實際做事情的時候，關閉時鐘驅動（clock gating），另一種方式則是降低電壓和頻率（電路的電容是電路特性沒法改變）- DVFS（Dynamic Voltage Frequency Scaling）。

Clock gating或者DVFS不會影響電路中保存的信息。Clock gating可以做到模塊間完全獨立開關，所以對性能的影響很小。頻率從高頻到低頻和從低頻到高頻通常會有一定的延遲，因為需要整個晶元協同，有些時候也需要軟體介入。

而power gating代價比較大，比如，SRAM會因為斷電損失數據，所以power gating需要保存片上數據，甚至於需要軟體全面介入，對性能影響比較大，從gating狀態喚醒的延遲也很大。通常會把晶元劃分為多個power domain，每個power domain可以獨立控制。當然，獨立的power domain在設計上開銷也很大。

現在來回答這個問題，當CPU在執行死循環時，功耗高很可能是：1）功耗控制模塊無法將處理器核心進行clock gating，這時候核心會耗電，即使死循環不會用到所有功能單元，但由於所有功能單元都處於被時鐘驅動的狀態，實際上仍然在耗電，並且耗電很大；2）因為死循環中間不會被中斷，CPU佔用率很高的狀態下，功耗控制單元會誤認為現在CPU需要運行在高性能狀態，沒有操作系統干預的情況下，電壓和頻率都會處於比較高的狀態，這時候無論動態功耗，還是靜態功耗，都會很高。

不能佔滿CPU資源，去看看單片機就知道了，while(1)很正常，因為還有中斷，可以跳出。

現代CPU和操作系統更加複雜，正常情況下，是無法佔滿CPU的所有資源，功耗和電流有關，但是具體電流多少情況就比較複雜。

你看了一天的電影，但你的各個器官也沒有全負荷工作噢

我看了題主的問題，及一些人的回答，一度開始懷疑自己學的進程是不是一個虛假的概念

你寫個程序啥也不幹就一個死循環什麼也不用等自然CPU要高速運轉來滿足你的程序了

功耗當然會高點一般正常程序至少都要讀下內存什麼的吧等待的途中CPU會自動降低頻率

你這倒好一直乾沒用的事情至於佔不佔得滿TDP 還要看你用的什麼CPU對吧

非低功耗操作系統，沒程序執行的時候也會死循環執行nop只是把這些時間算空閑。

請注意CPU滿佔用和CPU滿功耗是兩回事。

拿你舉的例子來說，CPU的功耗遠沒有到達頂峰。因為while(1)沒有算數邏輯運算，沒有緩存訪問，所以ALU和LSU都閑著沒幹活，功耗肯定不會用滿。

以下偽彙編還差不多（還得把編譯器的優化關掉）

; x86不熟，用ARM的湊合吧，注意其實ARM的也不熟，所以下面只能是偽代碼

; 想更爽一點的話可以加FP指令，不過這個我就更不熟了

START:

LDR R0, [R1] ; 假設R1是cacheable並有讀寫許可權

ADD R0, R0, 1

STR R0, [R1]

B START

一般意義的功耗=電壓*電流，即電壓越高越耗電。

電流又和三晶體管開關有關，每次晶體管狀態切換都要耗電，不切換則基本不耗電，具體來說就是當cpu執行某種運算時，會開始耗電，運算頻率越高，越耗電。

while（1）底層是在不斷執行跳轉指令，因此cpu不斷地在執行指令，全力耗電，雖然說是無用功。