低功耗微處理器技術(shù)與應(yīng)用前景

眾所周知，發(fā)熱和振動(dòng)問(wèn)題一直是造成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行不可靠的兩個(gè)主要因素。為了將工業(yè)計(jì)算機(jī)大量發(fā)熱帶走，需要進(jìn)行復(fù)雜的熱設(shè)計(jì)，不但增加了體積和設(shè)計(jì)費(fèi)用，而且?guī)?lái)了新的不可靠因素。解決由于發(fā)熱引起的不可靠問(wèn)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(wú)疑是最關(guān)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(jiàn)圖1)。據(jù)Intel公司的CTO Pat Gelsinger先生預(yù)測(cè)，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(dá)到30GHz，其功率密度將與核電站的相當(dāng)。

鑒于此，在新世紀(jì)之初，包括Intel在內(nèi)的一些國(guó)際著名芯片制造公司，都組織專(zhuān)門(mén)的隊(duì)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(shù)，并且獲得了突破性進(jìn)展。

全美達(dá)進(jìn)軍低功耗微處理器

2000年年初，美國(guó)加州一個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的公司全美達(dá)(Transmeta)，推出了一種以“Crusoe”命名的微處理器。Crusoe以其獨(dú)特的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)和非凡的超低功耗表現(xiàn)，在業(yè)界引起巨大轟動(dòng)，由此引發(fā)了低功耗移動(dòng)處理器設(shè)計(jì)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

Crusoe是全美達(dá)公司面向移動(dòng)PC、手持設(shè)備和Internet接入設(shè)備等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新型微處理器。Crusoe與傳統(tǒng)的x86架構(gòu)不同，其低功耗設(shè)計(jì)體現(xiàn)在高效的超長(zhǎng)指令(VLIW)引擎、代碼融合(Code Morphing)技術(shù)、LongRun和RunCooler等創(chuàng)新技術(shù)上。

128位或256位的VLIW引擎，用軟件控制超長(zhǎng)指令的調(diào)度，一個(gè)時(shí)鐘周期可以并行執(zhí)行4個(gè)操作，運(yùn)行簡(jiǎn)單、高效，具有極高的性能功耗比。通過(guò)覆蓋在VLIW引擎上的代碼融合軟件層，Crusoe實(shí)現(xiàn)了與x86指令的良好兼容性。x86指令，通過(guò)代碼融合軟件，動(dòng)態(tài)地編譯成VLIW可以執(zhí)行的簡(jiǎn)單指令，并對(duì)指令實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)度，便于并行處理，實(shí)現(xiàn)了x86處理器需要通過(guò)數(shù)百萬(wàn)顆晶體管才能實(shí)現(xiàn)的功能，功耗卻降低了60%-70%。這一方面為CPU的設(shè)計(jì)拓展了新的思路；另一方面，在硬件不變的條件下，通過(guò)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(dá)到4200萬(wàn)顆，而Crusoe內(nèi)部只有100萬(wàn)顆左右。

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

“RunCooler”技術(shù)使Crusoe實(shí)現(xiàn)工作溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)CPU的實(shí)際工作溫度超過(guò)設(shè)定的允許工作溫度上限時(shí)，Crusoe會(huì)自動(dòng)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(fēng)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(chǔ)器控制的北橋(NorthBridge)芯片功能，為設(shè)計(jì)帶來(lái)極大方便。

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

據(jù)全美達(dá)CEO Matthew Perry先生介紹，Crusoe系列中的TM5800產(chǎn)品還在發(fā)展，預(yù)計(jì)2003年年初，全美達(dá)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(jìn)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(jì)算機(jī)的所有功能。

2003年，全美達(dá)公司計(jì)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(shè)計(jì)上的領(lǐng)先地位。Astro處理器的性能高，但功耗、尺寸、價(jià)格很低，Astro將是“功耗、尺寸、價(jià)格和性能的完美結(jié)合體”。

在2002年11月份美國(guó)Las Vegas 的Comdex Fall 2002展覽會(huì)上，全美達(dá)展示了基于Astro的樣機(jī)，其性能明顯高于其它公司同類(lèi)處理器。

Intel推出SpeedStep技術(shù)和Mobile Banias

美國(guó)芯片巨人Intel也加大了移動(dòng)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(shù)主要是增強(qiáng)型SpeedStep技術(shù)。SpeedStep技術(shù)在CPU運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)檢測(cè)其供電方式，如果是交流電供電，它就全速運(yùn)行，以達(dá)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(shè)定的低頻狀態(tài)，以降低功耗，延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間。據(jù)Intel稱(chēng)，通過(guò)SpeedStep技術(shù)，CPU可以將功耗降低40%左右，當(dāng)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(hào)，P4 Processor-M處理器還沒(méi)推出低電壓型號(hào)的產(chǎn)品。

目前Intel的SpeedStep技術(shù)的核心是雙速(Dual Speed)能量管理技術(shù)，有以下兩點(diǎn)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(gè)設(shè)定的低速上，而不能根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整；二是CPU的低功耗特性?xún)H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(wú)法體現(xiàn)。

Intel即將推出一款全新架構(gòu)的移動(dòng)處理器平臺(tái)，即Banias，是Intel自從386時(shí)代以來(lái)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(jìn)行了優(yōu)化，采用了多項(xiàng)新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)提高性能、降低功耗的目的。下面對(duì)幾項(xiàng)主要技術(shù)做個(gè)簡(jiǎn)單描述：

Advanced Branch Prediction — 采用多分支預(yù)報(bào)機(jī)制大幅度提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，縮短任務(wù)執(zhí)行時(shí)間，進(jìn)而降低功耗。

Micro-Op Fusion — 采用操作融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作、一次執(zhí)行。
Power Optimized Bus — 根據(jù)需要打開(kāi)或關(guān)閉處理器總線，降低功耗。
Dedicated Stack Manager — 通過(guò)設(shè)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(dá)到減低功耗的目的。

AMD研制出PowerNow！

為了與Intel爭(zhēng)奪筆記本市場(chǎng)份額，AMD公司研制了PowerNow！低功耗處理器設(shè)計(jì)技術(shù)。AMD PowerNow！技術(shù)在對(duì)ACPI 2.0 處理器能量管理技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的同時(shí)，改進(jìn)了雙速能量管理技術(shù)。采用PowerNow！技術(shù)，AMD CPU可以根據(jù)應(yīng)用程序?qū)ぷ髁康男枨?，?shí)時(shí)地同時(shí)切換CPU的工作頻率和內(nèi)核工作電壓，實(shí)現(xiàn)在性能滿足運(yùn)行要求的條件下，最大限度地降低功耗，延長(zhǎng)在電池供電模式下的運(yùn)行時(shí)間的功能。據(jù)媒體報(bào)道，采用PowerNow！技術(shù)的AMD移動(dòng)處理器的功耗比同類(lèi)產(chǎn)品下降30%左右。AMD公司也計(jì)劃在2003年，推出其下一代產(chǎn)品Mobile Athlon (ClawHammer)，進(jìn)一步發(fā)展低功耗處理器設(shè)計(jì)技術(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，由于AMD的移動(dòng)處理器缺乏強(qiáng)有力的低功耗能力，很難在低功耗方面有所建樹(shù)，只能寄希望于性能上的優(yōu)勢(shì)了。

臺(tái)灣威盛和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司各顯神通

繼VIA's 1GHz C3之后，臺(tái)灣威盛公司又推出了VIA Eden嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)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(luò)互聯(lián)和多媒體功能，能為用戶提供相對(duì)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(dá)667MHz，而功耗僅有3-5瓦。不過(guò)，威盛沒(méi)有具體介紹其實(shí)現(xiàn)低功耗的技術(shù)。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(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(yùn)行時(shí)，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(jìn)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(wèn)世。

低功耗處理器的應(yīng)用

由于采用超低功耗處理器，設(shè)備可以制造得更輕、更小、更靜，在電池模式下可以運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間，如果價(jià)格更合理，則將在新世紀(jì)得到比傳統(tǒng)的桌面機(jī)處理器更為廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)份額將是驚人的。目前可預(yù)見(jiàn)的主要應(yīng)用有：

工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(cè)試和測(cè)量設(shè)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(shè)備；

結(jié)語(yǔ)

幾年前，美國(guó)華爾街報(bào)就曾撰文指出，就運(yùn)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(shí)也是如此，處理器現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越強(qiáng)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(wú)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(dòng)的新時(shí)代，滿足人類(lèi)高質(zhì)量生活要求。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，雖然還需要在處理器、套片、顯示控制器、硬盤(pán)、電源、熱設(shè)計(jì)技術(shù)等多方面不斷創(chuàng)新，但超低功耗微處理器技術(shù)的創(chuàng)新無(wú)疑是最為關(guān)鍵的。

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