超能课堂(210)：笔记本中常说的PL1、PL2到底如何影响CPU性能？
在移动平台CPU的种类很多，有45W的标准功耗CPU，28W的苹果定制低功耗CPU，15W的低功耗CPU和低于15W的超低功耗CPU。在以往不同功耗的CPU不仅在功耗上，在纸面性能上也有着非常大的差距。但随着移动平台CPU的发展，目前不同功耗CPU间的差异越来越小，有些产品之间几乎只剩下功耗的差别。这也造成了目前普遍存在的TDP虚标。
目前移动平台处理器的实际功耗是远远超过标称的TDP的。以游戏本中常见的Intel Core i7-9750H为例，这款6核12线程的CPU单核满载时CPU Package功耗约为23W，如果所有核心都以这样的频率满载，那么实际功耗可以轻松突破100W。不过事实却不是这样，i7-9750H的全核睿频比单核低0.6GHz，所以实测上满载的功耗会在90W左右。但是官方文档中这款CPU的TDP仅仅只有45W，这是由于绝大部分笔记本狭小的内部空间不足以承受那么大的发热。但如果真的按45W这个功耗运行，全核满睿频几乎无法出现，实际上的性能表现又会很一般。于是在移动平台中引入了PL1与PL2两道枷锁对CPU的实际性能进行调节。
什么是PL1、PL2？它的作用是什么？
PL是PowerLimit的缩写，如同字面意思以上是用来限制CPU的功耗的，与台式机不同，在笔记本这样有限的内部空间里，散热显得尤为重要。上文已经提到敞开了跑的i7-9750H的功耗能轻松接近100W，这样的发热如果不加以限制，绝大部分笔记本都吃不消。但如果将其限制在TDP的45W，性能则会大大受损，可以看到目前移动平台CPU的基础频率极低，但是实际使用时都可以轻松超过基础频率许多，几乎所有时间都在睿频。
所以在笔记本上对CPU有两道枷锁，PL1与PL2。Power Limit 1又叫做长时睿频功耗，CPU在长时间负载时，基本最后都会停留到这个功耗，可以说是一台笔记本CPU实际上的TDP。Power Limit 2又叫短时睿频功耗，通常会高过PL1许多，是在短时间负载内CPU能够达到的最高功耗，也就是一台笔记本的CPU性能上限。
当然在桌面平台CPU也存在这PL1、PL2，但是默认情况下都是解锁的，数值也是主板自己填着玩的。所以移动平台也就有了“假睿频”，“3秒真男人”之类的说法，但这其实并不准确。
下面以实际项目说明PL1和PL2的作用。第一组测试PL1与PL2设置相同，让i7-9750H以45W运行Cinebench R15。由于PL1=PL2，所以实际上仅存在PL1限制。
第二组测试中PL1锁定在45W，将PL2设定在60W，同样运行Cinebench R15。
可以看到分数相比于仅存在PL1提升了很多，通过功耗曲线就能够看出来，在项目开始时，CPU以PL2的60W运行，在达到睿频时间或者撞到温度墙后，CPU功耗开始快速回落，最终稳定在PL1 45W左右，由于完成时间更快所以曲线更早回落到正常水平。在其余条件不变的情况下，更高的功耗意味着更高的频率，自然也就有更高的性能。
下面用一个单烤FPU的场景说明一般情况下笔记本在长时间负载下是如何运行的。
这台机器是微星GS65 9SE，CPU为i7-9750H，PL2 90W，PL1 55W，算是比较激进的设定。
可以看到开始时CPU以PL2模式运行，功耗达到了86.99W，此时已经跑满了i7-9750H的全核最大睿频4GHz，CPU温度快速上升，很快就到达了96°C。PL2结束的方式有两种，一种是撞到温度墙，一种是达到PL2的时间自动停止。对于这台机器来说，很明显是撞到了温度墙，撞墙后CPU功耗开始快速回落，最终稳定在PL1的55W，温度也回落到84°C，频率从一开始的4GHz，最终降到了3.0-3.1GHz左右。
所以在通常情况下，一台笔记本的PL1与基本上就是实际的TDP，厂商也基本按照这样的发热标准去设计模具。而PL2通常是超过这个平台的散热能力的，在短时间内超负荷运转可以最大化平台CPU性能带来更好的使用体验，例如打开网页，打开应用之类的短时操作。随着负载时间的增加，PL2的作用越来越小，PL1为平台的CPU性能兜底。从下面一个例子就能很好的看出来PL2对于性能的作用，这台机器是雷蛇的灵刃15，同样是i7-9750H，PL1 45W PL2 60W，降压0.1V。
因为R15的测试时间较短，许多笔记本将PL2定的很高会在第一轮测试时取得非常好的成绩，因为第一轮测试时CPU温度上升最慢，笔记本处于PL2模式的时间会相对较长。几乎所有的笔记本在进行Cinebench R15循环时的曲线都和图中相似，所以第一次运行R15或者其余的跑分软件测出来的性能其实是短时间内这台机器能够提供的最强性能。
当反复运行R15时，可以看到CPU处在PL2的时间大大缩短，此时PL1的设定对于最终成绩影响很大，通过20轮循环负载，则可以看到一台笔记本真正的性能释放水平。
所以在实际上，一台笔记本的性能是由散热决定的，对于同样一颗CPU，散热更好的模具可以设置更高的PL1与PL2而得到更出色的性能释放。而这个结论反过来则完全不成立，例如Dell G3的PL1 60W，PL2 90W。标的数值相当高，但是持续性能释放却一塌糊涂，这就是DPTF的介入。 DPTF是Dynamic Platform and Thermal Framework，动态平台和散热框架的简称，作为限制性能的一部分，会在平台过热时强行降低PL1以保证系统处在温度相对正常的水平，一般在轻薄本中较为常见。
那么在散热没有问题的情况下，对于同一颗CPU相同的PL1与PL2一定能带来相同的性能吗？其实也不是，有一种能够在PL不变提高性能的方式就是降压。 降压提升性能的原理其实很简单，因为降低电压会让CPU的发热降低，但是由于PL1是低于实际上CPU能够跑到的功耗的，所以CPU会让主频上升使得CPU的功耗重新回到PL1，主频提升性能自然就提升了。所以一颗CPU的性能最终还是以频率体现的。
接下来通过具体例子感受一下简单的降低主频提升性能的效果。
在默认状态下，技嘉AERO 15的PL1为52W无降压，雷蛇灵刃15标准版为45W 降压0.1V。可以看到虽然功耗低了7W但持续性能几乎相同，这就是降压的神奇效果。
厂商又是怎么做的
所以看了这么多例子也不难发现实际上笔记本厂商是怎么发挥CPU性能的，无外乎以下几种：
1.自暴自弃降频的
2.动态调节功耗的
3.散热无敌的
4.出厂降压提升性能的
第一种在一两年前非常常见，特别是在低压U平台上。由于移动低压U从8代开始核心数量翻倍，使得很多厂商一时间不知道如何解决发热问题，只能硬着头皮在轻薄本中塞入4核8线程的i5-8250U，有些机型例如ThinkPad X280单烤甚至被DPTF调节至只有10W功耗，连TDP的15W都没到。
从今年开始，大部分厂商的轻薄本都更新了模具，并且基本上都利用了DPTF，这也就是第二种。在原理上与第一种其实是类似的，但是与第一种不同，此时的DPTF是用来配合温度墙追求极限性能的。
追求极限性能的代表就是苹果MacBook Pro。以MacBook Pro 16为例，i9-9880H机型的PL1为 100W PL2为125W，在功耗上完全放开，仅靠100°C的温度墙加以限制防止机器过热损坏，之后系统动态调节CPU功耗使得系统在满载时CPU稳定在100°C，完全榨干机器的散热能力。
在Windows阵营相似的有联想ThinkPad X1 Carbon，在Gen 6机型上，X1C的PL1和PL2都为51W，这远远超过了这台机器的散热能力，通过97°C的温度墙使得这台机器满载时CPU温度始终在97°C不变，而CPU Package功耗通过DPTF动态调节。
第三种完全就是模具散热性能碾压，即使放开了跑，CPU也不会过热，典型例子就是大量的游戏本。以联想Y7000为例，在野兽模式下的PL1 70W PL2 107W，作为万元内散热最强的一线游戏本，单烤FPU时i7-9750H能保持在全核3.3GHz左右，相当夸张。
最后一种是我个人最欣赏的，并且效果非常直观有效的方法。在民间对于一些散热不佳的机型，除了换硅脂垫高以外，通过XTU降压也是非常重要的解决散热问题的方法。但是很少有厂家会选择出厂降压，毕竟每颗CPU的体质不同，都进行降压可能会出现稳定性上的问题。但目前来看，标压CPU降压0.1V是比较安全的。雷蛇灵刃15与17都是出厂降压的机型，所以即使PL1 PL2不是那么的激进，CPU的性能依然非常不错，而且发热也因此得到了控制。对于轻薄机型来说，这是一个非常高性价比的方案，即在不改变本身散热水平的情况下提升性能。
然而情况在今年下半年出现了变化，Comet Lake-U的出现使得高性能轻薄笔记本有了新的解决方案。即低压CPU拉高Power Limit当标压CPU用。当然代表机型就是下半年最火的全能轻薄本，联想小新Pro 13。在以往低压与标压CPU除了核心数量的区别外还有一些其他部分的缩水，在进入8代以后，核心数量虽然弥补上来了，但是也只能和标压i5相比，并且在PCIe通道和内存频率上还是不行。
到了10代Comet Lake-U，i7-10710U不仅在核心数量上，内存与PCIe通道都与9代标压i7保持一致，并且六核最大睿频仅落后i7-9750H 0.2GHz。并且需要注意的是，Comet Lake-U的能耗比相比于Coffee Lake-H有着巨大提升，以联想小新Pro 13的35W PL1的i7-10710U为例。
相比于标准的i7-8750H，在功耗低了10W的情况下性能却超过了45W PL1的i7-8750H接近5%，具有相当高的能耗比。这也不难理解为什么i7-10710U的采购价要高出i7-9750H接近50美元了。
目前除了联想小新Pro 13以外，还有一款机型也是同样的思路，就是微星的新款Prestige系列，其中Prestige 15更是将i7-10710U的PL1拉到了45W，变成了完完全全的标压U，这让我对它的性能表现很是期待。
XTU调节：自己动手丰衣足食
上文提到了降压提升性能，对于大部分标压平台CPU都是可以通过XTU自行调节的，上手也很简单，就拿AERO 15做一个示范了。
打开XTU，在Advanced Tuning界面下可以看到许多选项。Core Voltage Offset就是设置CPU电压，对于标压CPU来说，降低0.1V是一个安全范围。Turbo Boost Short Power Max就是我们所说的PL2，可以设定的高一些，下方为PL2的持续时间，直接拉满就行，最终能够持续的时间还要取决于散热水平，如果散热不行的话，很快就会撞到温度墙强制结束PL2。
Turbo Boost Power Max就是PL1，这个数值需要参考机身实际散热能力进行调整，一般可以设定完后点击Apply应用设置。再就进行AIDA FPU烤机测试观察CPU温度，如果温度较低则可以继续拉高，直到达到你能够接受的温度极限。
当然图中的设置是因为技嘉AERO 15的散热能力很强才设置的如此极端，设置完Cinebench R20跑分能够提升20%。
而XTU不仅仅只能用于发烧机型拉高性能，对于饱受过热降频的机型来说，通过简单的降压也能够降低发热，使得系统更加流畅。
总结：两道枷锁将野兽关在笼中
通过这篇文章可以知道PL1、PL2是决定笔记本CPU性能的关键参数，PL2能够让短时间内的CPU性能释放到极限，而PL1则决定了长时间负载下的CPU性能，根据不同笔记本实际的散热水平，这两个数值的设定也不同。实际发热相当巨大的移动平台CPU正是通过这两道枷锁将功耗保持在了每个机型都能够承受的范围内。
这也就是为什么CPU天梯榜中目前没有移动平台CPU的原因，因为同一颗CPU在不同机型中的差距实在太大，在样本容量不够大的前提下，给出一个天梯榜成绩是不负责任的。
当然本文全程以Intel CPU为例，但对于目前市面上越来越多的AMD APU而言，其实也是存在着类似的功耗逻辑，原理上是相通的。