電腦記憶體佔用滿會比佔用率很低時更加費電嗎？

記憶體(配件) 個人電腦 · 發表 2018-10-29 22:29:25

摘要：記憶體要耗電，這大家都知道。但耗電多少人們卻知之不多。知乎的小夥伴們的求知慾是無窮的，這不，知友@KuRRe8 私信我了這個問題。問題很簡單，但是回答起來卻並不容易。思來想去，如果不在這個問題上加入一定的限定，結果就會非常發散，不利於瞭解問題的本質。我在這裡加上“同一臺電腦，相同記憶...

記憶體要耗電，這大家都知道。但耗電多少人們卻知之不多。知乎的小夥伴們的求知慾是無窮的，這不，知友@KuRRe8 私信我了這個問題。問題很簡單，但是回答起來卻並不容易。思來想去，如果不在這個問題上加入一定的限定，結果就會非常發散，不利於瞭解問題的本質。我在這裡加上“同一臺電腦，相同記憶體配置時”的約束條件，問題變成“同一臺電腦，相同記憶體配置時，記憶體佔用滿會比佔用率很低時更加費電嗎？”，避免浪費筆墨，來討論一些不必要的分支條件，縮小問題結果的集合。

知其然，且知其所以然，瞭解現象的本質，這是本專欄的宗旨。要理解費電嗎的答案，我們需要先從記憶體電力消耗的原因和組成談起。

記憶體耗電的原因和構成

一個記憶體條（以下用DIMM代替）插入主機板後，讀寫記憶體和無事可幹時到底耗電多少呢？要了解這個問題，我們先要理解記憶體是如何進行讀寫操作的。這裡需要些背景知識，如果對深入這個問題沒有興趣的朋友可以直接跳過本節：

ofollow,noindex" target="_blank">老狼：記憶體系列一：快速讀懂記憶體條標籤老狼：記憶體系列二：深入理解硬體原理老狼：記憶體系列三：記憶體初始化淺析

從上面這些文章中我們知道，DIMM是由Rank, Chip和Bank組成。一個簡化的DDR3記憶體結構框圖如下：

1Gb DDR3 SDRAM Functional Block Diagram（出自參考資料1）

在clock enable (CKE)使能後，每一次讀寫操作大致分為三個步驟：

1. 傳送ACTIVATE（ACT）命令，它會選中一個bank中的一個行row，row的內容會進入Row的buffer中，也就是結構框圖的sense amplifier:

2. 傳送讀寫命令（RD/WR），在Row Buffer上的一些列Column會被挑出來，放到資料線上。

3. 結束後傳送pre-charge（PRE）命令，清理現場，為下一次ACT命令做準備：

除此之外還有on-die termination (ODT)命令，為了簡化起見，我們不再贅述，感興趣的同學可以參看：

老狼：記憶體系列三：記憶體初始化淺析

那麼不做任何事的時候呢？DIMM上很多器件還是有電的，這時候消耗的電力叫做Background（背景）功耗。這時電流消耗主要是過一段時間重新整理Refresh一下各個bank，保證資料不丟失並且因為CKE的開啟，各個器件處於待命的狀態，隨時準備接受ACT等等命令。

原理就介紹到這裡，那麼各個部分耗電幾何呢？記憶體耗電和電壓、頻率十分相關，DDR4比DDR3電壓低，更加省電。DDR3L比DDR3也省電，但頻率上不去。在給定記憶體的前提下，參考資料1給出了Micron的結果，1G DDR3 DIMM功耗：

需要指出的是，這個資料沒有利用任何Intel CPU給出的省電狀態。Intel CPU會根據記憶體空閒狀態，將一直處於idle狀態的Rank放入Active idle或者pre-charge idle的模式下，節省一部分背景功耗。

耗電問題解析

現在回到我們的問題上來：“同一臺電腦，相同記憶體配置時，記憶體佔用滿會比佔用率很低時更加費電嗎？”

答案並不唯一，和當時的workload有關。我們從workload最大到最小逐個分析一下。

1. 假設情況A，電腦記憶體需求很高，所有記憶體都被分配完畢，電腦還在不停地從外部快取換入換出頁表。情況B，電腦記憶體需求量不高，有一半記憶體空置，但被分配過的記憶體被頻繁訪問。

因為外部快取往往在硬碟等裝置，它的延遲和功耗往往遠遠大於記憶體。這種情況，毫無疑問，A耗電記憶體部分遠大於B。

2. 情況A，電腦記憶體全部被佔滿，但也不需要新記憶體，記憶體被頻繁讀寫。情況B，記憶體一半佔滿，另一半空置，佔滿部分被頻繁讀寫。

通過前面介紹的原理，很容易得到結論：A情況的後面一半會耗費最大的功耗，而B的空閒部分只有背景功耗甚至是Active idle或者pre-charge idle狀態。所以功耗A大於B。至於具體差多少，大家可以根據上面那個功耗列表計算一下。Active idle和pre-charge idle的功耗大約是5mw左右。

3. 情況A，電腦記憶體佔滿，但電腦已經空閒下來，沒有什麼記憶體讀寫操作。情況B，記憶體佔用一半，也沒有記憶體讀寫操作。

A和B都工作在只消耗背景功耗的模式下，唯一的區別是儲存的內容不同，需要指出的是存0和存1，背景功耗沒有什麼不同。所以這時，A和B的功耗是一樣的。

這裡有個現實的例子，伺服器部署資料庫大小不同的功耗情況：