什么是Speed Shift?

英特尔第六代Skylake处理器对原Speed Step技术进行了改进，升级后被称为Speed Shift。这项技术可提升电脑响应速度。它是怎么做到的呢？听我缓缓道来。

为什么要变频？

本专栏前面一篇文章介绍了频率和功耗的关系（为什么CPU的频率止步于4G?我们触到频率天花板了吗？）这里我们来简单回顾一下。

CPU芯片里面有几十亿个晶体管，它们可以简化如下：

Vin的每次变化都要充放电一次，放电的能量被浪费掉了。所以功耗和频率正相关，而且在频率升高后，充放电跟不上这个频率，必须通过提高电压来加速充放电。电压的加大，会导致充放电浪费的电能更加严重。能耗公式如下：

可以看出能耗P和f线性相关，而和电压V是幂函数的关系。由于前面提高的V和f的关系，实际上P=a × f^3，是大致3次幂函数的关系。从下面的实际例子可以验证

i7-2600K频率和功耗的关系

合适的才是最好的

那为了节省能耗，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：

既不能磨洋工也不能一味蛮干，只有将频率调整到最合适才是真的好。

Speed Shift出场

那么如何动态调节CPU频率和电压呢？长期关注本专栏的同学也许还记得Intel EIST技术（CPU省电的秘密（一）：EIST），是的，它的确可以让操作系统按需调节频率。而这次推出的Speed Shift技术就是它的升级版。它可以让频率转换时间急速缩短：

如上图，蓝色是老的EIST技术，绿色是Speed Shift。可以看出，特殊的频率调变从20ms降到1ms，而整体从最低频到最高频也从100ms降到30ms。这里注意它们都不能从最低频直接跳到最高频，主要是因为电压需要慢慢增加，急速的加压会带来严重问题。

Speed Shift技术概述

Speed Shift技术是EIST的提高版，专栏EIST文章详细介绍了EIST的细节。这里简单总结一下，便于比较它和加强版的区别：EIST技术是BIOS通过一组ACPI表告诉操作系统怎么改变频率，而操作系统负责根据工作量通过这个表改变CPU频率。

我们可以看出，改变频率是操作系统的行为，它全面掌控所有变频行为，而硬件和BIOS只是配合它。这点在Speed Shift做出了彻底改变。它的名字原本叫做Hareware Performance State或Hardware P-state，简称HWP。顾名思义，它的本质是操作系统让渡变频的操控权给硬件，转而只提供性能提示（hint）和控制变频范围，而由硬件自主根据提示工作量快速变化频率。

Skylake的架构如下图：

Intel IDF Skylake架构图片

PCU在电源的管理中扮演的主要角色，正式因为它的就近管理才让变频变得如此迅速。Speed Shift的细节见新的IA32手册（参考资料1），有兴趣的同学可以参阅一下，在第三卷14节。其他Skylake硬件架构方面的探究敬请期待后续文章。

真实性能

是骡子是马，拉出来溜溜。anandtech网站已经做了评测，见参考资料2。这里摘录部分内容：

从中可以看出对于一般家庭使用环境，性能变化只提高了3%-5%。对于突发性能要求高的应用可以提高30%！另据其他评测资料，系统整体突发相应时间减少了20%，还是相当可观的。

结论

看了这些你是不是也跃跃欲试了呢？且慢，用上Speed Shift需要操作系统支持，Windows 10最新版已经提供了支持，但你如果是Win7/Win8那就没有希望了。Linux世界似乎还没有完全支持。

另外Kabylake和Coffeelake对Speed Shift做了调整提升，相应时间更低了。更妙的是这个调整是软件透明的，操作系统不需要改变就能尽享提升带来的好处。还在等什么，快在BIOS里面打开Speed Step吧！

参考资料：

[1] : https://software.intel.com/sites/default/files/managed/39/c5/325462-sdm-vol-1-2abcd-3abcd.pdf

[2]: Examining Intel's New Speed Shift Tech on Skylake: More Responsive Processors