CPU 为什么会有高频低负载的状态？

源济

CPU 为什么会有高频低负载的状态？

作者 / 老狼

先说结论，这样做是为了更加省电。现在 CPU 内核的频率控制由一个叫做 PCU（Package Control Unit）的微处理器来控制。PCU 从 Nehalem CPU 开始就嵌入在 CPU 的封装中。

PCU 控制内核频率本着省电和提高响应度来进行调节。完成一项工作，为了节省能耗，是不是就是低频慢慢干就好了呢？答案是否定的。我们排除浪费时间等因素，只从能耗上考量，如果我们衡量干完某件事需要消耗的整体能量，实际上有两种策略：

1. 保持固定频率，将事情干完，然后 CPU 进入休息状态。
2. 加速干事情，忍受短时功耗上升，尽快干完事情，尽早让 CPU 休息。

这和人一样，有些人是慢性子，徐徐图之；而有些人性子急，希望早干完早休息。很难判断哪种好，这就需要量化分析了，好在 Intel 的工程师已经为我们找到这个平衡点：

在这个平衡点附近，按照工作量（workload demand）被分成 Low Range 和 High Range，PCU 采取两种策略。

策略一

在 Low Range 的区间，CPU 的主频低于 Pe 就没有任何意义了，PCU 总是让内核工作在 Pe 频率上，尽快干完事，进入休眠状态（CState）。这就是有时计算机比较清闲，我们打开任务管理器时，会发现有些 CPU 既不是工作在最低主频上，也不是工作最高主频上的原因。

在 High Range 中，提高内核频率尽管可以让任务完成的更快，但是因为能耗和频率 f 是 3 次方的关系，对能耗比来说并不合算。这就需要操作系统来提示支持 Speed Shift 的 PCU，采取激进的高频高功耗模式，来提供更好的相应；还是保守的能耗优先模式。

结论

为什么低负载还高频呢，就是因为负载落在 low Range 中，内核会被加速到 Pe 来尽快完成，从而尽快进入省电的 Cstate，即省电，有快速响应，何乐而不为呢？