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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(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)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(gè)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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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
“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(shí),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(gè)系列Crusoe處理器,TM5400、TM5600、TM5500和TM5800系列。
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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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Intel推出SpeedStep技術(shù)和Mobile Banias
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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(shí)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(gè)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(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)需要打開或關(guān)閉處理器總線,降低功耗。
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AMD研制出PowerNow!
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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(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)問世。
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低功耗處理器的應(yīng)用
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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(shí)代,滿足人類高質(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、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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