功率就是上帝

　　在當今能源緊缺的時(shí)代，以筆記本電腦、手機和數碼產(chǎn)品為代表的便攜式產(chǎn)品也以不同的方式處于能量饑渴狀態(tài)。盡管眾多公司推出了各種先進(jìn)的電源管理芯片（預計到2010年將增長(cháng)至120億美元），仍不能從根本上解決問(wèn)題。對這類(lèi)電子產(chǎn)品，消費者在要求更多的功能、更高的性能同時(shí)，還希望產(chǎn)品更輕薄、外觀(guān)更酷、功耗更低、使用時(shí)間更長(cháng)。這無(wú)論對芯片制造商，還是電源生產(chǎn)廠(chǎng)都提出了更高的要求。

速度與功耗

　　速度一直是芯片制造商追逐的目標，然而速度是以極大地犧牲功耗為代價(jià)的（見(jiàn)表1）。目前，“功率就是上帝”已成為人們的共識，設計人員的觀(guān)念發(fā)生了根本的轉變，從片面地追求速度轉變?yōu)樵诠β试S可的條件下設計出性能合理的處理器芯片。Intel放棄了比Prescott速度更快的Tejas處理器芯片就是很好的例子。隨后，該公司推出了大眾化的低功耗PentiumM和移動(dòng)Centrino商標芯片及其它無(wú)線(xiàn)芯片。設計人員從材料、單個(gè)晶體管、電路、以致系統各個(gè)層面來(lái)解決功率問(wèn)題，取得了明顯的效果。在上世紀90年代末，30W功率處理器的速度僅為600MHz，而現在已能達到幾個(gè)GHz。
摩爾定律告訴我們，集成電路上的晶體管數量每隔18個(gè)月就能翻一番。如何利用大規模集成的優(yōu)勢，除了常規的更復雜、功能更強大而功耗急劇上升的單核設計外，工程人員還另辟蹊徑，即雙核設計。盡管雙核中每個(gè)處理器的速度比單核處理器慢，但其總體性能卻比單核處理器優(yōu)越。另一個(gè)利用大規模集成的方案就是熟知的系統芯片（SoC）。由于功能單元集成在同一塊芯片上，信號傳輸的路徑更短了，因而其速度也更快了。展望未來(lái)，設計人員將讓集成度發(fā)揮到極限，不僅要集成數字處理單元、高速緩存，閃存控制器，還要集成MPEG媒體編解碼器、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )處理功能，甚至手寫(xiě)成語(yǔ)音識別功能。
 
靜態(tài)功耗

　　眾所周知，靜態(tài)功耗的主要敵人是漏電流。由于晶體管越做越小，越做越薄，開(kāi)關(guān)電路在關(guān)閉時(shí)不可能完全消除漏電流。解決漏電流問(wèn)題，需要在材料上和器件結構上創(chuàng )新。前幾年，Intel公司就掀起了一個(gè)聲勢浩大的堵漏運動(dòng)。首先在晶體管構造上，傳統的平面晶體管只有一個(gè)柵極，而新設計的“三柵”晶體管在頂部和兩側都設置了柵極，能更好地控制柵極電流的流動(dòng)，結果使漏電流減少到原先的十分之一。其次是尋求更佳的絕緣材料，即所謂“高K”材料。晶體管通常是用一薄層二氧化硅隔離的，在此場(chǎng)合其標稱(chēng)的K值為4?，F在使用稱(chēng)為高K值柵電介質(zhì)材料，這種材料對電子泄漏的阻隔效果是二氧化硅的10,00倍，極大地減少了漏電流。此外，工程人員還發(fā)現，芯片上約有80%的晶體管并不需要如此高速的，在這些地方完全可使用低速的而漏電流小的晶體管。

　　在另一條戰線(xiàn)，AMD公司也在積極行動(dòng)著(zhù)。該公司和IBM合作制作新型晶體管?？稍谙嗤ぷ麟妷合率顾俣雀?。他們的高招是采用“應變硅”或“絕緣體上硅”技術(shù)。絕緣體上硅就是在絕緣體上面構建晶體管，一層絕緣體、一層硅，這種夾層式結構減少了晶體管的電容，從而提高了工作速度。如果用應變硅代替普通的硅來(lái)制造晶體管通道的話(huà)，格子里的原子將被分散在較遠的距離，可以將原子拉長(cháng)，那么電子在通過(guò)稀疏的原子晶格時(shí)遇到的阻抗就大大下降，只要將原子拉長(cháng)1%，就可以提高10~20%的速度，而成本只增加了2%。

新標準出臺

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，制定了一系列新標準，這些標準也有助于進(jìn)一步節省功耗。ACPI（高級配置與電源接口）是新型電源管理規范，意圖是讓操作系統（Windows或Linux）而不是BIOS來(lái)全面控制電源管理，使系統更加省電。主要特點(diǎn)是：提供立即開(kāi)機功能，即開(kāi)機后可立即恢復到上次關(guān)機時(shí)的狀態(tài)；光驅、軟盤(pán)、硬盤(pán)等在未使用時(shí)會(huì )自動(dòng)關(guān)掉電源，使用時(shí)再打開(kāi)；支持開(kāi)機狀態(tài)下的即插即拔，隨時(shí)更換功能。ACPI支持三種節電方式：（1）：掛機顯示屏自動(dòng)斷電，只是主機通電；（2）：掛機到內存，系統把當前信息存儲在內存中，只有內存等幾個(gè)關(guān)鍵部件通電，按下任意鍵后，計算機讀取當前信息，很快恢復到原來(lái)狀態(tài)；（3）：掛機到硬盤(pán)，關(guān)機前將當前數據存儲在硬盤(pán)上，用戶(hù)下次開(kāi)機時(shí)，計算機將無(wú)須啟動(dòng)操作系統，直接從硬盤(pán)讀取數據，恢復原來(lái)狀態(tài)。
 
　　目前，主流機型的內存都已采用DDR2標準，相繼推出了DDR2　400、DDR2　533、DDR2　667產(chǎn)品。DDR2內存采用1.8V電壓，相對于DDR標準的2.5V，降低了不少，從而提供了更小的功耗和更低的發(fā)熱量，據估算，DDR2能比DDR節電約25%。

　　在移動(dòng)電視方面，DVB組織制定了DVB-H標準，全稱(chēng)為數字電視廣播――手持。它采用時(shí)間分片技術(shù)，就是用高速率突發(fā)低速率的數據流。接收機前端只在突發(fā)時(shí)間內工作，其余時(shí)間是關(guān)閉的，這樣便能進(jìn)一步降低功耗。例如，對500kb/s數據流，若突發(fā)頻率為它的10倍，理論上可以節省90%的功耗。

還須努力

　　上面介紹了眾多節能措施，但這還不是事物的全部。例如目前普遍使用的LCD屏和背光是耗電大戶(hù)。工程師們正大力研發(fā)高發(fā)光效率螢光屏和低功耗LED背光。而有機LED無(wú)需背光即能顯示，雖然目前還只有少量小尺寸樣品，相信不久將來(lái)會(huì )有重大突破。

　　盡管電源的功率容量以每年10%的速度遞增著(zhù)，但這似乎還不能滿(mǎn)足發(fā)展的需要。人們要求更先進(jìn)的電源管理方案，以榨干每一滴可以利用的能量。TI設計的最新控制芯片，能編輯和分析有關(guān)電池充電、放電、老化和其它電氣性能的全面數據，預測電池的實(shí)際剩余能量加以利用。英國一家公司研發(fā)了一種稱(chēng)為智能能量管理（IEM）軟件，不僅可以關(guān)閉不工作的部件，還可進(jìn)一步跟蹤處理器執行系統任務(wù)的工作負荷，根據不同的情況調整處理器的電壓，在不影響任務(wù)執行的前提下降低工作速度。由此可見(jiàn)，正是由于廣大工程人員的共同努力，我們才有可能盡情地享受游戲、手機上網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)電視等等的服務(wù)。

東華

表1　速度與功耗＊

＊     CPU的種類(lèi)眾多，有不同的速度和功耗，此表數據僅供參考。