软硬件融合技术内幕 基础篇 (13) —— 温度墙是什么？

在上期，我们了解到了，计算机的基准频率来自南桥的时钟发生器，它像来自各拉丹冬雪山脚下的沱沱河那样，经过6400公里的奔流，每年把近10000亿立方米的水送入东海。

在计算机系统中，来自南桥的时钟，经过倍频转换，就生成了DRAM控制器、CPU和GPU的时钟脉冲。那么，倍频转换的原理是什么呢？

进一步地，CPU的睿频特性，能够支持CPU的工作频率动态调整，也就是倍频的倍数是可以自动控制的。这又是如何实现的呢？

原来，这依赖于一个关键部件——数字锁相环。

学习过模拟电路的同学可能会记得，锁相环电路可以在一定范围内跟踪调频或调相信号，其中，如果对压控振荡器VCO产生的频率进行分频，最终输出的频率就是参考频率源的倍频。如参考频率源为100MHz，分频器进行了4次分频，则最终锁相环可以把参考频率源给出的时钟频率提升到原来的4倍，也就是得到400MHz的时钟频率。

数字锁相环就是计算机可编程，通过数字信号控制的锁相环。

图中是某款数字锁相环芯片的框图，S1:0是两位数字信号输入，通过这两位数字信号输入，可以操纵倍频输出，也就是改变CLK频率和ICLK频率的比值。

在CPU中也存在这种数字锁相环。计算机的睿频等操作，实际上就是CPU动态调整数字锁相环的倍频倍数的结果。如Intel Xeon Scalable 5318Y CPU，其基频为2.1GHz，最高睿频可达3.4GHz，这就说明，该CPU内部提供主频时钟的锁相环，其典型工作倍频为21倍，最高可达34倍。

和方老师差不多时代的一批个人计算机玩家可能会回忆起来，早在1996年前后的Intel Pentium时代，是可以对CPU进行超频的。如Pentium MMX 166处理器的外频为66MHz，2.5倍频以后得到166MHz。在某些主板上，通过改变跳线开关的排列组合，可以让主板提供83MHz的主频，倍频上升为3倍，从而让CPU工作在250MHz下。显然，我们在《虚拟化与云计算硬核技术内幕 (2) —— 挑选模特的潜规则》中提到了，这种行为会导致CPU的功耗显著增加，也就需要更好的散热系统排出热量。一旦发生风扇损坏等情况，轻则导致系统死机，重则烧毁CPU。

那么，工作在睿频状态的处理器是如何保证，在处理器额外产生的热量不对系统运行造成危害的时候，就将处理器的频率降回安全范围的呢？

让我们看这张图：

Intel定义睿频技术时，引入了几个概念：PL1，CPU长期工作的功率，也就是所谓的TDP(Thermal Design Power, 散热设计功耗)，PL2，CPU短时间能工作的功率，也就是最大功率；Tau，CPU在PL2功耗坚持的时间长度。

当CPU突然变得很忙(任务压过来了)的时候，在睿频2.0机制驱动下，CPU内部的PLL会提升倍频数，驱使CPU高速运转，其功耗达到PL2后倍频停止提升，在Tau的时间窗口耗尽后，降低频率，使得CPU的功率一直维持在PL1，直到这个运算任务完成，再将CPU频率降低到基准频率。

细心的读者会发现，PL1和PL2是相对固定的，而不是动态调整的。事实上，PL1和PL2是可以通过BIOS修改的。那么，如果有人将PL1和PL2设置得过高，或者系统实际的散热能力低于PL1和PL2的值，会不会让CPU中积聚的热量烧毁CPU呢？

Intel等CPU厂商早已想到了这个问题。

Intel在2008年以后就引入了自适应温度监控ATM (Ataptive Thermal Monitor)功能，为CPU设定了一个最大结温(Maximum Junction Temperature, TjMAX)，(“结”为半导体PN结，不理解的读者请自行补习《模拟电子技术基础》)。当CPU工作温度超过这个最大结温的时候，CPU内部的硬件电路会自动把PROCHOT信号线拉起。此时，CPU电压控制模块会降低CPU的工作电压，同时，CPU的工作频率也会同时下降，让CPU休息一会。这种机制俗称“温度墙”，CPU的工作温度撞上“温度墙”时，触发CPU降频操作，这就是笔记本电脑或年久失修的台式机，散热不良会导致卡顿的原因所在。

在最坏的情况下，主板检测到系统温度到达“灾难性温度”，会让CPU电源管理器强制关断CPU电源。用户会看见计算机自动强制关机，只有在系统温度下降以后，才能再开机上电。

有了这样的双保险，CPU就可以保证不会在过高的温度下升起一缕青烟了。

给个Tips：GPU也有类似的这种温度保护机制，因此，社会上流传的“用于特殊用途的GPU体质会受损”的说法，其准确与否，大家是可以自己判断的。