电脑内存占用满会比占用率很低时更加费电吗？
内存要耗电，这大家都知道。但耗电多少人们却知之不多。公众号的小伙伴们的求知欲是无穷的，这不，有朋友 私信我了这个问题。问题很简单，但是回答起来却并不容易。思来想去，如果不在这个问题上加入一定的限定，结果就会非常发散，不利于了解问题的本质。我在这里加上“同一台电脑，相同内存配置时”的约束条件，问题变成“同一台电脑，相同内存配置时，内存占用满会比占用率很低时更加费电吗？”，避免浪费笔墨，来讨论一些不必要的分支条件，缩小问题结果的集合。
知其然，且知其所以然，了解现象的本质，这是本专栏的宗旨。要理解费电吗的答案，我们需要先从内存电力消耗的原因和组成谈起。
内存耗电的原因和构成
一个内存条（以下用DIMM代替）插入主板后，读写内存和无事可干时到底耗电多少呢？要了解这个问题，我们先要理解内存是如何进行读写操作的。这里需要些背景知识，如果对深入这个问题没有兴趣的朋友可以直接跳过本节：
从上面这些文章中我们知道，DIMM是由Rank, Chip和Bank组成。一个简化的DDR3内存结构框图如下：
1Gb DDR3 SDRAM Functional Block Diagram（出自参考资料1）
在clock enable (CKE)使能后，每一次读写操作大致分为三个步骤：
1.发送ACTIVATE（ACT）命令，它会选中一个bank中的一个行row，row的内容会进入Row的buffer中，也就是结构框图的sense amplifier:
2. 发送读写命令（RD/WR），在Row Buffer上的一些列Column会被挑出来，放到数据线上。
3. 结束后发送pre-charge（PRE）命令，清理现场，为下一次ACT命令做准备：
除此之外还有on-die termination (ODT)命令，为了简化起见，我们不再赘述，感兴趣的同学可以参看：
那么不做任何事的时候呢？DIMM上很多器件还是有电的，这时候消耗的电力叫做Background（背景）功耗。这时电流消耗主要是过一段时间刷新Refresh一下各个bank，保证数据不丢失并且因为CKE的开启，各个器件处于待命的状态，随时准备接受ACT等等命令。
原理就介绍到这里，那么各个部分耗电几何呢？内存耗电和电压、频率十分相关，DDR4比DDR3电压低，更加省电。DDR3L比DDR3也省电，但频率上不去。在给定内存的前提下，参考资料1给出了Micron的结果，1G DDR3 DIMM功耗：
资料来源：Micron
资料来源：Micron
需要指出的是，这个数据没有利用任何Intel CPU给出的省电状态。Intel CPU会根据内存空闲状态，将一直处于idle状态的Rank放入Active idle或者pre-charge idle的模式下，节省一部分背景功耗。
耗电问题解析
现在回到我们的问题上来：“同一台电脑，相同内存配置时，内存占用满会比占用率很低时更加费电吗？”
答案并不唯一，和当时的workload有关。我们从workload最大到最小逐个分析一下。
1. 假设情况A，电脑内存需求很高，所有内存都被分配完毕，电脑还在不停地从外部缓存换入换出页表。情况B，电脑内存需求量不高，有一半内存空置，但被分配过的内存被频繁访问。
因为外部缓存往往在硬盘等设备，它的延迟和功耗往往远远大于内存。这种情况，毫无疑问，A耗电内存部分远大于B。
2. 情况A，电脑内存全部被占满，但也不需要新内存，内存被频繁读写。情况B，内存一半占满，另一半空置，占满部分被频繁读写。
通过前面介绍的原理，很容易得到结论：A情况的后面一半会耗费最大的功耗，而B的空闲部分只有背景功耗甚至是Active idle或者pre-charge idle状态。所以功耗A大于B。至于具体差多少，大家可以根据上面那个功耗列表计算一下。Active idle和pre-charge idle的功耗大约是5mw左右。
3. 情况A，电脑内存占满，但电脑已经空闲下来，没有什么内存读写操作。情况B，内存占用一半，也没有内存读写操作。
A和B都工作在只消耗背景功耗的模式下，唯一的区别是存储的内容不同，需要指出的是存0和存1，背景功耗没有什么不同。所以这时，A和B的功耗是一样的。
这里有个现实的例子，服务器部署数据库大小不同的功耗情况：
X轴是内存占用率，可以看出大部分功耗曲线是几乎水平的。
最后的废话
我在另外一篇文章中：《为什么现在的电脑都这么吃内存？》介绍了现在Windows和Linux总是倾向于预读取很多内容来提高效能，所以现实情况是一开机内存就被占光了，空空荡荡的内存往往并不会再出现了，所以内存读写与否，是不是工作在只有背景功耗模式下，才是决定内存耗能的关键性因素。
内存功耗，据统计占据笔记本系统5%的能耗，而在服务器产品中则高得多。目前对它的功耗控制做的并不好，很多高级的功能并没有在产品中使用。对它的节能，现在越来越被提上日程，我在参考资料里面列出了一些相关研究，有兴趣的读者可以作为扩展阅读了解一下。
参考资料
[1]: https://www.micron.com/~/media/documents/products/technical-note/dram/tn41_01ddr3_power.pdf
[2]: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/98303/DReAM+an+Approach+to+Estimate+Per-Task+DRAM+Energy.pdf;jsessionid=9890DEE6C49866A696DE08D7C1E74461?sequence=1
[3]: http://users.ece.cmu.edu/~omutlu/pub/memory-dvfs_icac11.pdf
[4]: https://arxiv.org/pdf/1705.10292.pdf