低功耗微处理器技术与应用前景

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低功耗微处理器技术与应用前景

概述
众所周知，发热和振动问题一直是造成工业现场安装的工业控制计算机运行不可靠的两个主要因素。为了将工业计算机大量发热带走，需要进行复杂的热设计，不但增加了体积和设计费用，而且带来了新的不可靠因素。解决由于发热引起的不可靠问题的根本措施，就是选用低发热器件，其中采用低功耗的微处理器，无疑是最关键的。
目前，Intel公司推出的最新P4处理器的功耗大约为82瓦(见图1)。据Intel公司的CTO Pat Gelsinger先生预测，到2010年Intel公司制造的微处理器内部将包含10亿颗晶体管，主频将达到30GHz，其功率密度将与核电站的相当。
鉴于此，在新世纪之初，包括Intel在内的一些国际著名芯片制造公司，都组织专门的队伍、斥巨资研制性能、功耗和发热平衡的低功耗微处理器技术，并且获得了突破性进展。

图1 Intel微处理器功耗趋势图 全美达进军低功耗微处理器
2000年年初，美国加州一个名不见经传的公司全美达(Transmeta)，推出了一种以“Crusoe”命名的微处理器。Crusoe以其独特的低功耗设计技术和非凡的超低功耗表现，在业界引起巨大轰动，由此引发了低功耗移动处理器设计的激烈竞争。
Crusoe是全美达公司面向移动PC、手持设备和Internet接入设备等应用而设计的新型微处理器。Crusoe与传统的x86架构不同，其低功耗设计体现在高效的超长指令(VLIW)引擎、代码融合(Code Morphing)技术、LongRun和RunCooler等创新技术上。
128位或256位的VLIW引擎，用软件控制超长指令的调度，一个时钟周期可以并行执行4个操作，运行简单、高效，具有极高的性能功耗比。通过覆盖在VLIW引擎上的代码融合软件层，Crusoe实现了与x86指令的良好兼容性。x86指令，通过代码融合软件，动态地编译成VLIW可以执行的简单指令，并对指令实时进行优化和调度，便于并行处理，实现了x86处理器需要通过数百万颗晶体管才能实现的功能，功耗却降低了60%-70%。这一方面为CPU的设计拓展了新的思路；另一方面，在硬件不变的条件下，通过软件的优化，就可以提高Crusoe处理器的性能。微处理器内部的晶体管数量是决定其功耗的最主要因素。目前的常用处理器的晶体管已达到4200万颗，而Crusoe内部只有100万颗左右。
LongRun是一种独特的电源管理技术。采用LongRun ，Crusoe CPU可以在运行过程中，自动检测其工作量，并动态、平稳地、分多级、在线调整CPU的工作频率和工作电压，使程序运行所消耗的能量达到最优化，而不需要停止CPU的工作，或重新启动。应用表明，采用LongRun技术，CPU可以降低30%的功耗而仅牺牲10%的性能。
“RunCooler”技术使Crusoe实现工作温度的自动调节。当CPU的实际工作温度超过设定的允许工作温度上限时，Crusoe会自动降低其工作频率和电压，直到温度降低到允许范围为止，而传统意义上的CPU只能借助于外部的力量(如风扇)降低工作温度。
除CPU以外，Crusoe内部还嵌入了支持PCI总线控制和存储器控制的北桥(NorthBridge)芯片功能，为设计带来极大方便。
迄今为止，全美达公司主要推出了四个系列Crusoe处理器，TM5400、TM5600、TM5500和TM5800系列。
据全美达CEO Matthew Perry先生介绍，Crusoe系列中的TM5800产品还在发展，预计2003年年初，全美达将推出1GHz TM5800，峰值功耗小于6瓦；五月推出1.1-1.2GHz TM5800 产品，性能进一步提升，峰值功耗仍然小于7瓦。2003年第二季度，将推出一款System-On-Chip的高集成度1.2+ GHz的TM5800，除了显示控制器以外，几乎集成了单板计算机的所有功能。
2003年，全美达公司计划推出命名为“Astro”下一代产品TM8000 系列，以保持其在低功耗处理器设计上的领先地位。Astro处理器的性能高，但功耗、尺寸、价格很低，Astro将是“功耗、尺寸、价格和性能的完美结合体”。
在2002年11月份美国Las Vegas 的Comdex Fall 2002展览会上，全美达展示了基于Astro的样机，其性能明显高于其它公司同类处理器。
Intel推出SpeedStep技术和Mobile Banias
美国芯片巨人Intel也加大了移动PC处理器的研制力度，推出了Mobile Processor-M系列处理器。
目前Intel Mobile Processor-M系列处理器采用的降低功耗技术主要是增强型SpeedStep技术。SpeedStep技术在CPU运行过程中，动态检测其供电方式，如果是交流电供电，它就全速运行，以达到最大性能；如果是电池供电，就平稳地将工作频率和内核电压降到事先设定的低频状态，以降低功耗，延长运行时间。据Intel称，通过SpeedStep技术，CPU可以将功耗降低40%左右，当然性能也降低了40%。
Intel Mobile Processor-M系列处理器按内核工作电压不同，分为三种：Processor-M、Low Voltage Processor-M(LV) 和UltraLow Voltage Processor-M(ULV)。目前，只有Mobile Pentium III Processor-M处理器有LV和ULV型号，P4 Processor-M处理器还没推出低电压型号的产品。
目前Intel的SpeedStep技术的核心是双速(Dual Speed)能量管理技术，有以下两点不足：一是CPU只有两种工作状态，要么全速工作，要么工作在某个设定的低速上，而不能根据任务需求动态地进行调整；二是CPU的低功耗特性仅在电池供电状态下才能体现，而在交流电供电模式下则无法体现。
Intel即将推出一款全新架构的移动处理器平台，即Banias，是Intel自从386时代以来从根本上重新打造的第一款处理器，其内核面向性能和功耗进行了优化，采用了多项新技术以实现提高性能、降低功耗的目的。下面对几项主要技术做个简单描述：
Advanced Branch Prediction — 采用多分支预报机制大幅度提高预报的准确度，缩短任务执行时间，进而降低功耗。
Micro-Op Fusion — 采用操作融合技术，实现两个操作、一次执行。
Power Optimized Bus — 根据需要打开或关闭处理器总线，降低功耗。
Dedicated Stack Manager — 通过设置硬件堆栈管理器，可以明显减少堆栈管理的微操作数，达到减低功耗的目的。
AMD研制出PowerNow！
为了与Intel争夺笔记本市场份额，AMD公司研制了PowerNow！低功耗处理器设计技术。AMD PowerNow！技术在对ACPI 2.0 处理器能量管理技术进一步优化的同时，改进了双速能量管理技术。采用PowerNow！技术，AMD CPU可以根据应用程序对工作量的需求，实时地同时切换CPU的工作频率和内核工作电压，实现在性能满足运行要求的条件下，最大限度地降低功耗，延长在电池供电模式下的运行时间的功能。据媒体报道，采用PowerNow！技术的AMD移动处理器的功耗比同类产品下降30%左右。AMD公司也计划在2003年，推出其下一代产品Mobile Athlon (ClawHammer)，进一步发展低功耗处理器设计技术。
总的来说，由于AMD的移动处理器缺乏强有力的低功耗能力，很难在低功耗方面有所建树，只能寄希望于性能上的优势了。
台湾威盛和美国国家半导体公司各显神通
继VIA‘s 1GHz C3之后，台湾威盛公司又推出了VIA Eden嵌入式系统平台概念，其中包括VIA Eden ESP processor Core, 高集成度的北桥和南桥芯片，灵活的通讯、网络互联和多媒体功能，能为用户提供相对完整的解决方案。据威盛公布的资料，VIA Eden ESP Processor Core工作频率可达667MHz，而功耗仅有3-5瓦。不过，威盛没有具体介绍其实现低功耗的技术。而且使用表明，Eden CPU手感有些烫，似乎发热量还是大了些。
美国国家半导体公司(National Semiconductor)的低功耗系统芯片Geode GX1，虽然内部嵌入了VGA显示控制器，但以333MHz全速运行时，功耗仍然小于2.7瓦，而典型功耗仅有1.4瓦之低。用户使用表明，虽然GX1的性能还有待于进一步提高，但其发热量却很小，手感是温的，似乎更可靠些。现在其第二代产品200-366MHz的GX2已经问世。
低功耗处理器的应用
由于采用超低功耗处理器，设备可以制造得更轻、更小、更静，在电池模式下可以运行更长的时间，如果价格更合理，则将在新世纪得到比传统的桌面机处理器更为广泛的应用，市场份额将是惊人的。目前可预见的主要应用有：
工业控制计算机，如CompactPCI/PXI、IPC、SBC等；
嵌入式智能模块，如ETX(Embedded Technology eXtension Module)等；
嵌入式工业仪表与控制装置；
测试和测量设备，如示波器、仿真器等；
笔记本电脑；
Tablet PC；
静音PC(Silent PC)；
Internet接入设备；
结语
几年前，美国华尔街报就曾撰文指出，就运算功能而言，处理器的MHz性能发展到一定程度就足够了，例如Pentium III 500MHz 处理器。事实也是如此，处理器现在的发展趋势是越来越强调其性能的分散式(Distributed Performance)，如互联能力和电源管理性能等。就PC的发展走向而论，无论是Desktop PC还是Mobile PC，将更追求小型化、低噪音以及消耗更少的电能等特性，PC将步入静音、环保、移动的新时代，满足人类高质量生活要求。要实现这个目标，虽然还需要在处理器、套片、显示控制器、硬盘、电源、热设计技术等多方面不断创新，但超低功耗微处理器技术的创新无疑是最为关键的。
随着Crusoe 处理器的投放市场，一石激起千重浪，相信超低功耗微处理器技术的发展在近几年将突飞猛进，必将给信息产业带来新的蓬勃发展的机遇。

李小路

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