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　　概述

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　　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(jì)算機(jī)運(yùn)行不可靠的兩個主要因素,。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)砹诵碌牟豢煽恳蛩?。解決由于發(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(guān)鍵的。

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　　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(yù)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(dá)到30GHz,，其功率密度將與核電站的相當(dāng),。

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　　鑒于此，在新世紀(jì)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(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。

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　　圖1 Intel微處理器功耗趨勢圖

　　全美達(dá)進(jìn)軍低功耗微處理器

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　　2000年年初,，美國加州一個名不見經(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,，由此引發(fā)了低功耗移動處理器設(shè)計(jì)的激烈競爭。

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　　Crusoe是全美達(dá)公司面向移動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,，用軟件控制超長指令的調(diào)度,，一個時鐘周期可以并行執(zhí)行4個操作，運(yùn)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(shí)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(shí)時進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)度,，便于并行處理,，實(shí)現(xiàn)了x86處理器需要通過數(shù)百萬顆晶體管才能實(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4200萬顆,，而Crusoe內(nèi)部只有100萬顆左右,。

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　　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(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,。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)工作溫度的自動調(diào)節(jié),。當(dāng)CPU的實(shí)際工作溫度超過設(shè)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(fēng)扇)降低工作溫度。

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　　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(shè)計(jì)帶來極大方便。

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

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　　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,、價格很低,，Astro將是“功耗、尺寸,、價格和性能的完美結(jié)合體”,。

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　　在2002年11月份美國Las Vegas 的Comdex Fall 2002展覽會上，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處理器,。

　　Intel推出SpeedStep技術(shù)和Mobile Banias

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　　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(shù)主要是增強(qiáng)型SpeedStep技術(shù),。SpeedStep技術(shù)在CPU運(yùn)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(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,，延長運(yùn)行時間,。據(jù)Intel稱，通過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，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(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，要么工作在某個設(shè)定的低速上,，而不能根據(jù)任務(wù)需求動態(tài)地進(jìn)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),。

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　　Intel即將推出一款全新架構(gòu)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(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,。下面對幾項(xiàng)主要技術(shù)做個簡單描述：

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　　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)行時間，進(jìn)而降低功耗,。

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　　Micro-Op Fusion — 采用操作融合技術(shù),，實(shí)現(xiàn)兩個操作、一次執(zhí)行,。

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　　Power Optimized Bus — 根據(jù)需要打開或關(guān)閉處理器總線,，降低功耗。

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　　Dedicated Stack Manager — 通過設(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,！

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　　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(shè)計(jì)技術(shù),。AMD PowerNow,！技術(shù)在對ACPI 2.0 處理器能量管理技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的同時，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)時地同時切換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,，延長在電池供電模式下的運(yùn)行時間的功能,。據(jù)媒體報(bào)道，采用PowerNow！技術(shù)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(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),。

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

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　　臺灣威盛和美國國家半導(dǎo)體公司各顯神通

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　　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(luò)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(dá)667MHz,，而功耗僅有3-5瓦,。不過，威盛沒有具體介紹其實(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,。

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　　美國國家半導(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,，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)問世。

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　　低功耗處理器的應(yīng)用

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　　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)行更長的時間,，如果價格更合理,，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，市場份額將是驚人的,。目前可預(yù)見的主要應(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；

　　測試和測量設(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,；

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　　結(jié)語

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　　幾年前,，美國華爾街報(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)展趨勢是越來越強(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(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，雖然還需要在處理器,、套片,、顯示控制器、硬盤,、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)新無疑是最為關(guān)鍵的。

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　　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(shù)的發(fā)展在近幾年將突飛猛進(jìn)，必將給信息產(chǎn)業(yè)帶來新的蓬勃發(fā)展的機(jī)遇,。

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