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　　概述

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　　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。

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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(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)。

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　　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,。

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　　圖1 Intel微處理器功耗趨勢(shì)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(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),。

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　　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,。

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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(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。

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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(chǔ)器控制的北橋(NorthBridge)芯片功能,，為設(shè)計(jì)帶來(lái)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(gè)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(jià)格很低，Astro將是“功耗,、尺寸,、價(jià)格和性能的完美結(jié)合體”。

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　　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

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　　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，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(wú)法體現(xiàn),。

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　　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：

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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(shí)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(gè)操作、一次執(zhí)行,。

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

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　　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,！

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　　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)ぷ髁康男枨螅瑢?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。

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

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　　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,。

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　　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。

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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(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,；

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　　結(jié)語(yǔ)

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　　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。

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　　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,。

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