低功耗微處理器技術與應用前景

眾所周知，發(fā)熱和振動問題一直是造成工業(yè)現(xiàn)場安裝的工業(yè)控制計算機運行不可靠的兩個主要因素。為了將工業(yè)計算機大量發(fā)熱帶走，需要進行復雜的熱設計，不但增加了體積和設計費用，而且?guī)砹诵碌牟豢煽恳蛩亍＝鉀Q由于發(fā)熱引起的不可靠問題的根本措施，就是選用低發(fā)熱器件，其中采用低功耗的微處理器，無疑是最關鍵的。

目前，Intel公司推出的最新P4處理器的功耗大約為82瓦(見圖1)。據(jù)Intel公司的CTO Pat Gelsinger先生預測，到2010年Intel公司制造的微處理器內(nèi)部將包含10億顆晶體管，主頻將達到30GHz，其功率密度將與核電站的相當。

鑒于此，在新世紀之初，包括Intel在內(nèi)的一些國際著名芯片制造公司，都組織專門的隊伍、斥巨資研制性能、功耗和發(fā)熱平衡的低功耗微處理器技術，并且獲得了突破性進展。

全美達進軍低功耗微處理器

2000年年初，美國加州一個名不見經(jīng)傳的公司全美達(Transmeta)，推出了一種以“Crusoe”命名的微處理器。Crusoe以其獨特的低功耗設計技術和非凡的超低功耗表現(xiàn)，在業(yè)界引起巨大轟動，由此引發(fā)了低功耗移動處理器設計的激烈競爭。

Crusoe是全美達公司面向移動PC、手持設備和Internet接入設備等應用而設計的新型微處理器。Crusoe與傳統(tǒng)的x86架構不同，其低功耗設計體現(xiàn)在高效的超長指令(VLIW)引擎、代碼融合(Code Morphing)技術、LongRun和RunCooler等創(chuàng)新技術上。

128位或256位的VLIW引擎，用軟件控制超長指令的調(diào)度，一個時鐘周期可以并行執(zhí)行4個操作，運行簡單、高效，具有極高的性能功耗比。通過覆蓋在VLIW引擎上的代碼融合軟件層，Crusoe實現(xiàn)了與x86指令的良好兼容性。x86指令，通過代碼融合軟件，動態(tài)地編譯成VLIW可以執(zhí)行的簡單指令，并對指令實時進行優(yōu)化和調(diào)度，便于并行處理，實現(xiàn)了x86處理器需要通過數(shù)百萬顆晶體管才能實現(xiàn)的功能，功耗卻降低了60%-70%。這一方面為CPU的設計拓展了新的思路；另一方面，在硬件不變的條件下，通過軟件的優(yōu)化，就可以提高Crusoe處理器的性能。微處理器內(nèi)部的晶體管數(shù)量是決定其功耗的最主要因素。目前的常用處理器的晶體管已達到4200萬顆，而Crusoe內(nèi)部只有100萬顆左右。

LongRun是一種獨特的電源管理技術。采用LongRun ，Crusoe CPU可以在運行過程中，自動檢測其工作量，并動態(tài)、平穩(wěn)地、分多級、在線調(diào)整CPU的工作頻率和工作電壓，使程序運行所消耗的能量達到最優(yōu)化，而不需要停止CPU的工作，或重新啟動。應用表明，采用LongRun技術，CPU可以降低30%的功耗而僅犧牲10%的性能。

“RunCooler”技術使Crusoe實現(xiàn)工作溫度的自動調(diào)節(jié)。當CPU的實際工作溫度超過設定的允許工作溫度上限時，Crusoe會自動降低其工作頻率和電壓，直到溫度降低到允許范圍為止，而傳統(tǒng)意義上的CPU只能借助于外部的力量(如風扇)降低工作溫度。

除CPU以外，Crusoe內(nèi)部還嵌入了支持PCI總線控制和存儲器控制的北橋(NorthBridge)芯片功能，為設計帶來極大方便。

迄今為止，全美達公司主要推出了四個系列Crusoe處理器，TM5400、TM5600、TM5500和TM5800系列。

據(jù)全美達CEO Matthew Perry先生介紹，Crusoe系列中的TM5800產(chǎn)品還在發(fā)展，預計2003年年初，全美達將推出1GHz TM5800，峰值功耗小于6瓦；五月推出1.1-1.2GHz TM5800 產(chǎn)品，性能進一步提升，峰值功耗仍然小于7瓦。2003年第二季度，將推出一款System-On-Chip的高集成度1.2+ GHz的TM5800，除了顯示控制器以外，幾乎集成了單板計算機的所有功能。

2003年，全美達公司計劃推出命名為“Astro”下一代產(chǎn)品TM8000 系列，以保持其在低功耗處理器設計上的領先地位。Astro處理器的性能高，但功耗、尺寸、價格很低，Astro將是“功耗、尺寸、價格和性能的完美結合體”。

在2002年11月份美國Las Vegas 的Comdex Fall 2002展覽會上，全美達展示了基于Astro的樣機，其性能明顯高于其它公司同類處理器。

Intel推出SpeedStep技術和Mobile Banias

美國芯片巨人Intel也加大了移動PC處理器的研制力度，推出了Mobile Processor-M系列處理器。

目前Intel Mobile Processor-M系列處理器采用的降低功耗技術主要是增強型SpeedStep技術。SpeedStep技術在CPU運行過程中，動態(tài)檢測其供電方式，如果是交流電供電，它就全速運行，以達到最大性能；如果是電池供電，就平穩(wěn)地將工作頻率和內(nèi)核電壓降到事先設定的低頻狀態(tài)，以降低功耗，延長運行時間。據(jù)Intel稱，通過SpeedStep技術，CPU可以將功耗降低40%左右，當然性能也降低了40%。

Intel Mobile Processor-M系列處理器按內(nèi)核工作電壓不同，分為三種：Processor-M、Low Voltage Processor-M(LV) 和UltraLow Voltage Processor-M(ULV)。目前，只有Mobile Pentium III Processor-M處理器有LV和ULV型號，P4 Processor-M處理器還沒推出低電壓型號的產(chǎn)品。

目前Intel的SpeedStep技術的核心是雙速(Dual Speed)能量管理技術，有以下兩點不足：一是CPU只有兩種工作狀態(tài)，要么全速工作，要么工作在某個設定的低速上，而不能根據(jù)任務需求動態(tài)地進行調(diào)整；二是CPU的低功耗特性僅在電池供電狀態(tài)下才能體現(xiàn)，而在交流電供電模式下則無法體現(xiàn)。

Intel即將推出一款全新架構的移動處理器平臺，即Banias，是Intel自從386時代以來從根本上重新打造的第一款處理器，其內(nèi)核面向性能和功耗進行了優(yōu)化，采用了多項新技術以實現(xiàn)提高性能、降低功耗的目的。下面對幾項主要技術做個簡單描述：

Advanced Branch Prediction — 采用多分支預報機制大幅度提高預報的準確度，縮短任務執(zhí)行時間，進而降低功耗。

Micro-Op Fusion — 采用操作融合技術，實現(xiàn)兩個操作、一次執(zhí)行。
Power Optimized Bus — 根據(jù)需要打開或關閉處理器總線，降低功耗。
Dedicated Stack Manager — 通過設置硬件堆棧管理器，可以明顯減少堆棧管理的微操作數(shù)，達到減低功耗的目的。

AMD研制出PowerNow！

為了與Intel爭奪筆記本市場份額，AMD公司研制了PowerNow！低功耗處理器設計技術。AMD PowerNow！技術在對ACPI 2.0 處理器能量管理技術進一步優(yōu)化的同時，改進了雙速能量管理技術。采用PowerNow！技術，AMD CPU可以根據(jù)應用程序對工作量的需求，實時地同時切換CPU的工作頻率和內(nèi)核工作電壓，實現(xiàn)在性能滿足運行要求的條件下，最大限度地降低功耗，延長在電池供電模式下的運行時間的功能。據(jù)媒體報道，采用PowerNow！技術的AMD移動處理器的功耗比同類產(chǎn)品下降30%左右。AMD公司也計劃在2003年，推出其下一代產(chǎn)品Mobile Athlon (ClawHammer)，進一步發(fā)展低功耗處理器設計技術。

總的來說，由于AMD的移動處理器缺乏強有力的低功耗能力，很難在低功耗方面有所建樹，只能寄希望于性能上的優(yōu)勢了。

臺灣威盛和美國國家半導體公司各顯神通

繼VIA's 1GHz C3之后，臺灣威盛公司又推出了VIA Eden嵌入式系統(tǒng)平臺概念，其中包括VIA Eden ESP processor Core, 高集成度的北橋和南橋芯片，靈活的通訊、網(wǎng)絡互聯(lián)和多媒體功能，能為用戶提供相對完整的解決方案。據(jù)威盛公布的資料，VIA Eden ESP Processor Core工作頻率可達667MHz，而功耗僅有3-5瓦。不過，威盛沒有具體介紹其實現(xiàn)低功耗的技術。而且使用表明，Eden CPU手感有些燙，似乎發(fā)熱量還是大了些。

美國國家半導體公司(National Semiconductor)的低功耗系統(tǒng)芯片Geode GX1，雖然內(nèi)部嵌入了VGA顯示控制器，但以333MHz全速運行時，功耗仍然小于2.7瓦，而典型功耗僅有1.4瓦之低。用戶使用表明，雖然GX1的性能還有待于進一步提高，但其發(fā)熱量卻很小，手感是溫的，似乎更可靠些?，F(xiàn)在其第二代產(chǎn)品200-366MHz的GX2已經(jīng)問世。

低功耗處理器的應用

由于采用超低功耗處理器，設備可以制造得更輕、更小、更靜，在電池模式下可以運行更長的時間，如果價格更合理，則將在新世紀得到比傳統(tǒng)的桌面機處理器更為廣泛的應用，市場份額將是驚人的。目前可預見的主要應用有：

工業(yè)控制計算機，如CompactPCI/PXI、IPC、SBC等；
嵌入式智能模塊，如ETX(Embedded Technology eXtension Module)等；
嵌入式工業(yè)儀表與控制裝置；
測試和測量設備，如示波器、仿真器等；
筆記本電腦；
Tablet PC；
靜音PC(Silent PC)；
Internet接入設備；

結語

幾年前，美國華爾街報就曾撰文指出，就運算功能而言，處理器的MHz性能發(fā)展到一定程度就足夠了，例如Pentium III 500MHz 處理器。事實也是如此，處理器現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是越來越強調(diào)其性能的分散式(Distributed Performance)，如互聯(lián)能力和電源管理性能等。就PC的發(fā)展走向而論，無論是Desktop PC還是Mobile PC，將更追求小型化、低噪音以及消耗更少的電能等特性，PC將步入靜音、環(huán)保、移動的新時代，滿足人類高質(zhì)量生活要求。要實現(xiàn)這個目標，雖然還需要在處理器、套片、顯示控制器、硬盤、電源、熱設計技術等多方面不斷創(chuàng)新，但超低功耗微處理器技術的創(chuàng)新無疑是最為關鍵的。

隨著Crusoe 處理器的投放市場，一石激起千重浪，相信超低功耗微處理器技術的發(fā)展在近幾年將突飛猛進，必將給信息產(chǎn)業(yè)帶來新的蓬勃發(fā)展的機遇。