计算机如何进行整机功耗测量和控制？最新Psys技术在笔记本、台式机和服务器中的应用

节电和提高每瓦效能，已经成为计算机系统研究的重点方向之一。它的驱动力不但出于减少碳排放的大环境使然，也是主频上升困难，需要另辟蹊径使然。Intel和AMD这些年在电源精确控制方面出了很多技术，包括不断升级的睿频技术，更随着CPU中的专有电源控制IP PCU的引入，加入了ITBMT、HWP、SST等等技术，本专栏也有大量文章介绍他们。这些技术能让CPU忙的时候更快，闲的时候更低功耗。对功耗的测量和控制，CPU有CPU的RAPL（RUNNING AVERAGE POWER LIMIT），内存有内存子系统的RAPL（RUNNING AVERAGE POWER LIMIT），分别对两个子系统进行闭环控制。需要注意的是CPU RAPL和睿频3.0有交集，具体细节我们介绍RAPL再细谈。

但这些技术往往在某个子系统中进行功耗的测量和控制，但对整个单机系统却缺乏统一的方法和手段。笔电系统最先发现这种需求，这不但在于笔电系统电力更加稀缺，而且在某些模块闲置时，可以协调更多电力供给CPU和GPU，从而展现更好表现。要协调电力，必须准确知道现在的瞬时功耗，要怎么做呢？也许同学们立刻想到这样：

外接一个功耗表，多大的事。其实这样不行，不但因为这样CPU无从得知，无法做到闭环管理，更是因为这样恨不准确！看过我介绍笔电充电子系统的文章：

大家也许还记得我在文章里面提到，笔电在插入充电器（Brick）的时候，电力来源不但来自充电器，如果电力需求巨大的时候，电池还可以同时供电。现在大家知道为什么外接电力表结果大谬的原因了吧。

笔电系统率先引入整机功耗测控系统Psys（Power in System）技术，并随着它逐渐成熟，这项技术最近也乘势进入服务器和台式机系统中。那么Psys究竟是怎么工作的呢？

整机功耗的测量和汇报

只有准确了解问题，才能正确处理问题。整机功耗的闭环管理，第一步就是准确测量瞬时功耗，这也是Psys系统的信息输入端。笔电系统和服务器、台式机系统的处理方式稍有不同，我们先从最复杂的笔电讲起，再推广到服务器和台式机系统中。

在笔电系统中，Psys系统框图如下：

乍一看相当复杂，其实很好理解，我们把它分成两部分：功耗采样部分和功耗信息输入部分，分别来讲解，这样大家就可以很容易厘清系统的关键部分。

功耗信息采样部分居中的是充电管理芯片：

看过我们前面的文章：

老狼：为什么笔记本电脑可以边充电边用？这样会更费电池吗？笔电充电子系统详解

的同学应该还记得，Charger芯片不但知道从Adapter那里的输入电流，也知道必要时从电池那边的输入电流。Changer芯片，如我们文章中的Renesas ISL9241芯片，则很容易的知道总电流：

总电流 = Adapter电流 + 电池电流

Charger将这个总电流乘以一个系数，驱动转换电阻RPsys，在RPSys两端产生一个电压。测量这个电压就可以准确的知道现在的瞬时功耗。那么谁来采样这个电压呢？

我们来看看功耗信息输入部分：

居中的就是VRM(Voltage Regulator Module, 电压调节模块)了。关于它，我专门有篇文章介绍：

它是个主板上的专有芯片，负责按照根据CPU中PCU（老狼：CPU中的电源管家：PCU）给出的SVID[2]，提供特定的电压。

VRM加入了对Psys的支持，CPU中的PCU以特定的SVID请求下，VRM会采样RPsys两端的电压，经过换算，生成瞬时功耗，传给PCU。PCU平均1ms会要一次这个信息，信息除了自用，还将其转换成MSR供带内读取，和PECI信息，供带外读取。

好了，笔电系统Psys的测量系统介绍完毕。那么台式机和服务器整机能不能照搬过去呢？不能，为什么？因为缺少了很重要的一环。这一环就是充电管理芯片Changer，在台式机和服务器中并没有！怎么办呢？

其实也好办，让我们回到为什么需要Changer来提供Psys信息的源头吧，为什么呢？因为只有它才同时知道电源和电池的供电信息！而台式机和服务器本身也不需要电池，那么只要电源能够提供准确的信息就行了。服务器供电模块CRPS可以直接驱动Rpsys来做同样的事，而台式机就不这么简单了。台式机通用的ATX标准已经运行十几年了，缺乏相应的信号来给PCU提供信息。Intel最新的ATX12VO电源标准，让这一切成为了可能，新增的Ipcu引脚让VRM可以通过它来计算瞬时功耗。关于ATX12VO标准，我会很快写文章介绍。

整机功耗的控制

既然知道了整机的瞬时功耗，结合BIOS提供的整机功耗上线，以及温度控制，就可以指定整机功耗策略了。Intel在这里借鉴了CPU功耗控制的PL1、PL2、PL3、PL4和Tau，提出了PsysPL1、PsysPL2、PsysPL3、PsysPL4和PsysTau来进行整机功耗控制：

关于PLx的介绍，可以参考这篇文章：

关于PsysPLx的内容，因为和PLx很类似，可以直接阅读参考资料3，我这里就不展开了。

最后总结一下，Psys的信息采集部分由PCU的PCode驱动，信息来自Charger或者PSU（Power Supply Unit）；控制部分也由PCU驱动，参数由BIOS设置初值。在运行时，由NM（服务器）、EC或者ME通过PECI进行带外更新参数，进行运行时控制；或者通过DTT等工具，通过改写MSR，进行带内运行时控制。

Psys在运行时，和RAPL（RUNNING AVERAGE POWER LIMIT）和笔电的RATL （Running Average Temperature Limiting）有着微妙的互动。关于这两个技术，我再分别介绍，敬请期待。

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其他CPU电源管理的文章：

参考资料：

[1]: VRM design guide

[2]: VRM and EVRD 11.1 Design Guidelines

[3]: Gen8 and Gen9 CPU Datasheet: https://www.bhphotovideo.com/lit_files/518199.pdf

[4]: https://datasheets.su/DS/OnSemi/NCP81228-D.pdf