功率就是上帝

　　在當(dāng)今能源緊缺的時(shí)代，以筆記本電腦、手機(jī)和數(shù)碼產(chǎn)品為代表的便攜式產(chǎn)品也以不同的方式處于能量饑渴狀態(tài)。盡管眾多公司推出了各種先進(jìn)的電源管理芯片（預(yù)計(jì)到2010年將增長(zhǎng)至120億美元），仍不能從根本上解決問(wèn)題。對(duì)這類電子產(chǎn)品，消費(fèi)者在要求更多的功能、更高的性能同時(shí)，還希望產(chǎn)品更輕薄、外觀更酷、功耗更低、使用時(shí)間更長(zhǎng)。這無(wú)論對(duì)芯片制造商，還是電源生產(chǎn)廠都提出了更高的要求。

速度與功耗

　　速度一直是芯片制造商追逐的目標(biāo)，然而速度是以極大地犧牲功耗為代價(jià)的（見(jiàn)表1）。目前，“功率就是上帝”已成為人們的共識(shí)，設(shè)計(jì)人員的觀念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變，從片面地追求速度轉(zhuǎn)變?yōu)樵诠β试S可的條件下設(shè)計(jì)出性能合理的處理器芯片。Intel放棄了比Prescott速度更快的Tejas處理器芯片就是很好的例子。隨后，該公司推出了大眾化的低功耗PentiumM和移動(dòng)Centrino商標(biāo)芯片及其它無(wú)線芯片。設(shè)計(jì)人員從材料、單個(gè)晶體管、電路、以致系統(tǒng)各個(gè)層面來(lái)解決功率問(wèn)題，取得了明顯的效果。在上世紀(jì)90年代末，30W功率處理器的速度僅為600MHz，而現(xiàn)在已能達(dá)到幾個(gè)GHz。
摩爾定律告訴我們，集成電路上的晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月就能翻一番。如何利用大規(guī)模集成的優(yōu)勢(shì)，除了常規(guī)的更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大而功耗急劇上升的單核設(shè)計(jì)外，工程人員還另辟蹊徑，即雙核設(shè)計(jì)。盡管雙核中每個(gè)處理器的速度比單核處理器慢，但其總體性能卻比單核處理器優(yōu)越。另一個(gè)利用大規(guī)模集成的方案就是熟知的系統(tǒng)芯片（SoC）。由于功能單元集成在同一塊芯片上，信號(hào)傳輸?shù)穆窂礁塘?，因而其速度也更快了。展望未?lái)，設(shè)計(jì)人員將讓集成度發(fā)揮到極限，不僅要集成數(shù)字處理單元、高速緩存，閃存控制器，還要集成MPEG媒體編解碼器、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)處理功能，甚至手寫(xiě)成語(yǔ)音識(shí)別功能。
 
靜態(tài)功耗

　　眾所周知，靜態(tài)功耗的主要敵人是漏電流。由于晶體管越做越小，越做越薄，開(kāi)關(guān)電路在關(guān)閉時(shí)不可能完全消除漏電流。解決漏電流問(wèn)題，需要在材料上和器件結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新。前幾年，Intel公司就掀起了一個(gè)聲勢(shì)浩大的堵漏運(yùn)動(dòng)。首先在晶體管構(gòu)造上，傳統(tǒng)的平面晶體管只有一個(gè)柵極，而新設(shè)計(jì)的“三柵”晶體管在頂部和兩側(cè)都設(shè)置了柵極，能更好地控制柵極電流的流動(dòng)，結(jié)果使漏電流減少到原先的十分之一。其次是尋求更佳的絕緣材料，即所謂“高K”材料。晶體管通常是用一薄層二氧化硅隔離的，在此場(chǎng)合其標(biāo)稱的K值為4?，F(xiàn)在使用稱為高K值柵電介質(zhì)材料，這種材料對(duì)電子泄漏的阻隔效果是二氧化硅的10,00倍，極大地減少了漏電流。此外，工程人員還發(fā)現(xiàn)，芯片上約有80%的晶體管并不需要如此高速的，在這些地方完全可使用低速的而漏電流小的晶體管。

　　在另一條戰(zhàn)線，AMD公司也在積極行動(dòng)著。該公司和IBM合作制作新型晶體管?？稍谙嗤ぷ麟妷合率顾俣雀?。他們的高招是采用“應(yīng)變硅”或“絕緣體上硅”技術(shù)。絕緣體上硅就是在絕緣體上面構(gòu)建晶體管，一層絕緣體、一層硅，這種夾層式結(jié)構(gòu)減少了晶體管的電容，從而提高了工作速度。如果用應(yīng)變硅代替普通的硅來(lái)制造晶體管通道的話，格子里的原子將被分散在較遠(yuǎn)的距離，可以將原子拉長(zhǎng)，那么電子在通過(guò)稀疏的原子晶格時(shí)遇到的阻抗就大大下降，只要將原子拉長(zhǎng)1%，就可以提高10~20%的速度，而成本只增加了2%。

新標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，制定了一系列新標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)也有助于進(jìn)一步節(jié)省功耗。ACPI（高級(jí)配置與電源接口）是新型電源管理規(guī)范，意圖是讓操作系統(tǒng)（Windows或Linux）而不是BIOS來(lái)全面控制電源管理，使系統(tǒng)更加省電。主要特點(diǎn)是：提供立即開(kāi)機(jī)功能，即開(kāi)機(jī)后可立即恢復(fù)到上次關(guān)機(jī)時(shí)的狀態(tài)；光驅(qū)、軟盤(pán)、硬盤(pán)等在未使用時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)掉電源，使用時(shí)再打開(kāi)；支持開(kāi)機(jī)狀態(tài)下的即插即拔，隨時(shí)更換功能。ACPI支持三種節(jié)電方式：（1）：掛機(jī)顯示屏自動(dòng)斷電，只是主機(jī)通電；（2）：掛機(jī)到內(nèi)存，系統(tǒng)把當(dāng)前信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，只有內(nèi)存等幾個(gè)關(guān)鍵部件通電，按下任意鍵后，計(jì)算機(jī)讀取當(dāng)前信息，很快恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；（3）：掛機(jī)到硬盤(pán)，關(guān)機(jī)前將當(dāng)前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤(pán)上，用戶下次開(kāi)機(jī)時(shí)，計(jì)算機(jī)將無(wú)須啟動(dòng)操作系統(tǒng)，直接從硬盤(pán)讀取數(shù)據(jù)，恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)。
 
　　目前，主流機(jī)型的內(nèi)存都已采用DDR2標(biāo)準(zhǔn)，相繼推出了DDR2　400、DDR2　533、DDR2　667產(chǎn)品。DDR2內(nèi)存采用1.8V電壓，相對(duì)于DDR標(biāo)準(zhǔn)的2.5V，降低了不少，從而提供了更小的功耗和更低的發(fā)熱量，據(jù)估算，DDR2能比DDR節(jié)電約25%。

　　在移動(dòng)電視方面，DVB組織制定了DVB-H標(biāo)準(zhǔn)，全稱為數(shù)字電視廣播――手持。它采用時(shí)間分片技術(shù)，就是用高速率突發(fā)低速率的數(shù)據(jù)流。接收機(jī)前端只在突發(fā)時(shí)間內(nèi)工作，其余時(shí)間是關(guān)閉的，這樣便能進(jìn)一步降低功耗。例如，對(duì)500kb/s數(shù)據(jù)流，若突發(fā)頻率為它的10倍，理論上可以節(jié)省90%的功耗。

還須努力

　　上面介紹了眾多節(jié)能措施，但這還不是事物的全部。例如目前普遍使用的LCD屏和背光是耗電大戶。工程師們正大力研發(fā)高發(fā)光效率螢光屏和低功耗LED背光。而有機(jī)LED無(wú)需背光即能顯示，雖然目前還只有少量小尺寸樣品，相信不久將來(lái)會(huì)有重大突破。

　　盡管電源的功率容量以每年10%的速度遞增著，但這似乎還不能滿足發(fā)展的需要。人們要求更先進(jìn)的電源管理方案，以榨干每一滴可以利用的能量。TI設(shè)計(jì)的最新控制芯片，能編輯和分析有關(guān)電池充電、放電、老化和其它電氣性能的全面數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)電池的實(shí)際剩余能量加以利用。英國(guó)一家公司研發(fā)了一種稱為智能能量管理（IEM）軟件，不僅可以關(guān)閉不工作的部件，還可進(jìn)一步跟蹤處理器執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)的工作負(fù)荷，根據(jù)不同的情況調(diào)整處理器的電壓，在不影響任務(wù)執(zhí)行的前提下降低工作速度。由此可見(jiàn)，正是由于廣大工程人員的共同努力，我們才有可能盡情地享受游戲、手機(jī)上網(wǎng)和無(wú)線電視等等的服務(wù)。

東華

表1　速度與功耗＊

＊     CPU的種類眾多，有不同的速度和功耗，此表數(shù)據(jù)僅供參考。