最近在工作中，有时会遇到解释CPU Turbo频率，以及温度和功耗控制的问题。我发现有的同行朋友在这块的认识存在一些误区，倒不是说技术原理上有多难，可能是因为对Intel这几年CPU的性能/热设计了解的还不够吧。
正好我在散热领域还有些粗浅的经验，测试工作中也有一定的积累。所以就整理了2个图表，顺便讲解一下分享出来，也欢迎读者朋友们点评指正。
短时Turbo散热设计策略
首先我评估了4个技术指标维度：
- Turbo（超过TDP）时间；
- 峰值功耗/ 性能；
- 温度控制；
- 风扇静音
下表中，我拟定了A/B/C三款对比机型，可能是来源于真实的某个或某一类产品，但又不希望对号入座。同时我还假设大家配置相同的CPU（如：Core i7-10700或11700）以及散热器硬件。
注：图表中的评分1-3，数字越大代表在该项目上表现越好。
首先，A机型属于典型商用机的静音散热策略，同时遵循Intel PL1、PL2功耗设计。比如65W TDP（热设计功耗，通常等于PL1）的i7-11700，短时Turbo自动超频的功耗可达200W以上，接近PL2规范。
关于Power Limit1和2的定义可参考下表：
在短时Turbo阶段，A机型的CPU散热器风扇转速不会立即提到很高。如果是持续的全核压测，会达到或接近100℃，触发CPU自身的Throttling频率节流机制。在这里我想解释3点：
Tips 1、100℃这个规格来自哪里？
上图引用自：https://ark.intel.com/content/www/us/en/ark/products/212279/intel-core-i711700-processor-16m-cache-up-to-4-90-ghz.html
在去年写的《Xeon Scalable CPU跑到90℃了：为什么风扇转速还不提高？》中，我介绍过T junction这个温度值。指的是来自CPU内部传感器的核心温度读数，比金属顶盖的表面温度要高。
Tips 2、达到或者接近100℃、触发Throttling需要担心吗？
我们用一些软件看到的也是这个温度，还有些朋友觉得8-90℃已经很高了，其实早在十几年前的笔记本CPU就支持100℃最高温度。只是当年功耗/频率控制技术还没有今天这么成熟，所以大家习惯认为Throttling就是降频保护。当然今天Throttling仍然是为了避免过热的保护机制，只不过已经成为常规散热控制动作中的一部分了。
上图点开后可放大，引用自：https://www.intel.com/content/www/us/en/support/articles/000005597/processors.html
Tips 3、全核Turbo频率跑到多少合理？
如下表，Corei7-11700的基础频率为2.5GHz，最大Turbo Boost 3.0频率为4.9GHz（这个是指单核）。Intel官方似乎没有像Xeon服务器CPU那样，公布一个明确的全核Turbo频率。当然从实测情况来看，如果散热上能一直控制住温度，在PL2功耗时限（Intel默认28/56秒）内可以跑到较高的全核频率。
扩展阅读：《推荐一款Linux下监控CPU温度、频率、功耗的工具：s-tui》
而一旦运行到65W的PL1平稳状态，全核频率就不可能再那么高了，一般来说i7-10700不低于2.5GHz就是正常的。如果您在压测时跑AVX-512浮点计算，或者同时跑集成显卡的测试，有些情况下低于基础频率一点也是正常的。这种“功耗墙”的情况，在15W TDP的笔记本CPU上出现的更多。
相比之下，125WTDP的i7-11700K基础频率3.6GHz就高出不少。如果是长时间全核满载计算或者渲染类的应用，常规情况下（没有人工超频）肯定是11700K比11700要好很多。
让我们回来看A机型的后续动作：当Throttling发生之后，CPU风扇会晚一点做适当加速。随着CPU逐渐降到65W PL1功耗，风扇转速又会降低到比较静音，因为只需要维持合理温度即可——如果此时我们看到CPU内核80℃左右也属于正常。
简单总结，在短时Turbo阶段，A机型的特点就是静音设计好、峰值功耗/性能基本满额设计，而Turbo（特别是功耗偏高的Turbo）时间相对不长，温度控制合格（在该项目上1分定义为合格）。
这里我还想加一个Tips4：CPU风扇能否做到瞬间（如秒级）响应CPU的温度变化？
表面上看这样做能有效抑制高温，不过从噪声控制的效果来看，短时Turbo长度和是否维持在较高的功耗对商用PC、工作站来说不是太重要。首先单线程应用一个CPU核心Turbo到最高时，功耗一般还在TDP范围内；如果每次出现几秒的全核满载，CPU风扇就“呼”地一下高速运转，通常也没这个必要。
而服务器等数据中心设备则考虑不同，Xeon Scalable中高端型号本身TDP就比桌面CPU功耗高，在较高密度的1U/2U机箱内，风道前后还有其它配件。这种情况下，为了满足跑到TDP而温度又不超标的基础条件，风冷散热就不太可能像桌面PC那样静音了。（本文暂不讨论液冷）
扩展阅读：《PowerEdge15G服务器的风冷散热“新花样”》
《冷板式液冷标准化：PowerEdge 15G服务器散热杂谈》
接下来我们看看B机型，它在Turbo（超过TDP）时间、峰值功耗/ 性能、温度控制，以及风扇静音上面都是2分，看上去比较均衡，其实这里面有点门道（或者说取舍）。
首先，B机型对CPU的PL2做了一些限制，比如65W TDP的i7-11700在初始全核满载时只跑到120-150W（可以在主板的EC里设定），这样温度上升地慢一点。等到CPU风扇转速起来之后，如果允许的噪音水平稍高一点，在短时Turbo期间有可能不会触发CPU自身的Throttling频率控制。
这种设定的结果是，峰值性能B没有A高，但B维持全核高主频的时间会比A长一些。从表面上看B的CPU温度控制更低，但实际上A的设计也不存在散热问题。B机型的风扇噪声可能要比A大一些。
而C机型则完全是性能优先的设计，为了兼顾Turbo（超过TDP）时间和峰值功耗/ 性能，在使用同等（性能/成本）CPU散热器的情况下，只能让风扇转速长时间偏高运行。这样的代价就是静音效果相对较差，而且在短时Turbo的高功耗下容易触发Throttling，特别是环境温度较高的时候。但本文中讨论的Throttling只是让CPU降到当前散热条件下合理的频率/功耗水平，并不会导致性能异常，毕竟PL1才是常态。因此我们认为C机型的温度控制也是合格的。
稳态PL1散热设计策略
在讨论下一部分内容时，我重新对比了A’、B’、C’三款机型，因为它们的行为表现与上文中的A、B、C机型并无绝对绑定关系。
注：图表中的评分1-3，数字越大代表在该项目上表现越好。
还是先看A’机型，当i7-11700 CPU的功耗跑到Intel官方稳态PL1——即65W TDP时，此时风扇静音表现优秀，并且温度控制适中。关于“成本/ 故障率”这个因素，稍后我们在讨论C’机型时一起谈。
B’机型也是跑到稳态65W，区别在于风扇转速保持的相对高一些，与A’机型比较静音效果稍差，这样CPU温度会较低（比如60-70℃）。
至于C’机型，从某种意义上来说调高了CPU的PL1功耗限制，比如让65W TDP的i7-11700长期运行在80-95W，相当于人为“超频“了。为了保持温度仍在合理范围，同等级别的CPU风扇只能工作在更高转速下，因此静音表现相对最差。
还剩下一个“成本/ 故障率”的对比维度。这个成本可能涉及主板供电（散热）设计，或者后期服务的相关支出。让CPU长期运行在高于PL1（即TDP）功耗的水平，Intel没有保证故障率不会上升。当然，如果按照三年质保的商用PC来看，CPU本身的设计寿命通常不短于5-10年（说人话就是很少坏）。C’机型的故障率具体会有多大提高？我也没有准确的数字。
用户人工干预设置选项
前面讨论的都是主机BIOS/EC里的默认设定，下面再介绍2种手动降温、超频的方法：
1、BIOS里调高风扇转速：确实能降温，甚至使CPU短时Turbo的主频/性能跑得更高，不过代价就是噪音。没有特定原因，不建议修改这个。
2、操作系统下，还有几种可以调节PL1、PL2功耗点，以及PL2时长的软件。人们可以用来给有些机型超频（不保证支持所有主机），甚至调节CPU的电压。但这类操作有可能会影响系统稳定性，操作不当甚至造成硬件损坏，所以我就不推荐软件名称了。相信有些发烧友朋友在这方面已经很熟悉了：）
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