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　　概述

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　　眾所周知，發熱和振動問題一直是造成工業現場安裝的工業控制計算機運行不可靠的兩個主要因素。為了將工業計算機大量發熱帶走，需要進行復雜的熱設計，不但增加了體積和設計費用，而且帶來了新的不可靠因素。解決由于發熱引起的不可靠問題的根本措施，就是選用低發熱器件，其中采用低功耗的微處理器，無疑是最關鍵的。

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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。

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　　鑒于此，在新世紀之初，包括Intel在內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、功耗和發熱平衡的低功耗微處理器技術，并且獲得了突破性進展。

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　　圖1 Intel微處理器功耗趨勢圖

　　全美達進軍低功耗微處理器

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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，在業界引起巨大轟動，由此引發了低功耗移動處理器設計的激烈競爭。

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　　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與傳統的x86架構不同，其低功耗設計體現在高效的超長指令(VLIW)引擎、代碼融合(Code Morphing)技術、LongRun和RunCooler等創新技術上。

　　128位或256位的VLIW引擎，用軟件控制超長指令的調度，一個時鐘周期可以并行執行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實現了與x86指令的良好兼容性。x86指令，通過代碼融合軟件，動態地編譯成VLIW可以執行的簡單指令，并對指令實時進行優化和調度，便于并行處理，實現了x86處理器需要通過數百萬顆晶體管才能實現的功能，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，通過軟件的優化，就可以提高Crusoe處理器的性能。微處理器內部的晶體管數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內部只有100萬顆左右。

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　　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、平穩地、分多級、在線調整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實現工作溫度的自動調節。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，而傳統意義上的CPU只能借助于外部的力量(如風扇)降低工作溫度。

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　　除CPU以外，Crusoe內部還嵌入了支持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。

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　　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。

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　　據全美達CEO Matthew Perry先生介紹，Crusoe系列中的TM5800產品還在發展，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”。

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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

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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主要是增強型SpeedStep技術。SpeedStep技術在CPU運行過程中，動態檢測其供電方式，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，就平穩地將工作頻率和內核電壓降到事先設定的低頻狀態，以降低功耗，延長運行時間。據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，要么全速工作，要么工作在某個設定的低速上，而不能根據任務需求動態地進行調整；二是CPU的低功耗特性僅在電池供電狀態下才能體現，而在交流電供電模式下則無法體現。

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　　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，其內核面向性能和功耗進行了優化，采用了多項新技術以實現提高性能、降低功耗的目的。下面對幾項主要技術做個簡單描述：

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

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　　Micro-Op Fusion — 采用操作融合技術，實現兩個操作、一次執行。

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　　Power Optimized Bus — 根據需要打開或關閉處理器總線，降低功耗。

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　　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，達到減低功耗的目的。

　　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的工作頻率和內核工作電壓，實現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。據媒體報道，采用PowerNow！技術的AMD移動處理器的功耗比同類產品下降30%左右。AMD公司也計劃在2003年，推出其下一代產品Mobile Athlon (ClawHammer)，進一步發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勢了。

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　　臺灣威盛和美國國家半導體公司各顯神通

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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、網絡互聯和多媒體功能，能為用戶提供相對完整的解決方案。據威盛公布的資料，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低功耗的技術。而且使用表明，Eden CPU手感有些燙，似乎發熱量還是大了些。

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　　美國國家半導體公司(National Semiconductor)的低功耗系統芯片Geode GX1，雖然內部嵌入了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，但其發熱量卻很小，手感是溫的，似乎更可靠些。現在其第二代產品200-366MHz的GX2已經問世。

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　　低功耗處理器的應用

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　　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；

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　　結語

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　　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，處理器現在的發展趨勢是越來越強調其性能的分散式(Distributed Performance)，如互聯能力和電源管理性能等。就PC的發展走向而論，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、環保、移動的新時代，滿足人類高質量生活要求。要實現這個目標，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新，但超低功耗微處理器技術的創新無疑是最為關鍵的。

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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的發展在近幾年將突飛猛進，必將給信息產業帶來新的蓬勃發展的機遇。

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