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。