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微处理器节能技术的开拓者         ★★★ 【字体:
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微处理器节能技术的开拓者
作者:佚名    资讯来源:腾讯科技    点击数:    更新时间:2006-12-4

前言

当前,CPU的功耗和PC的节能问题,愈来愈成为人们关注的一个焦点。笔者认为应有以下几点原因:一是CPU仅靠提高主频来改进性能的做法遇到了瓶颈,由于主频提高导致CPU的功耗和发热量剧增,反过来制约了CPU性能的进一步提高。二是以英特尔为代表的微处理器制造商找到了解决办法,采用双核心甚至多核心的处理器,并配以其它节能技术,使得性能和功耗实现均衡发展,其代表产品就是最新的65纳米制程的酷睿2双核处理器。

本文对此进行了分析,对业界和英特尔公司在CPU节能技术的发展进行了描述,强调了最新酷睿™2双核处理器的特点。

CPU节能技术的始因


微处理器由大量的晶体管组成,晶体管的工作需要消耗功率;同一个芯片上,对于同样的操作,有功耗和发热是正常的。例如,i386DX-20M的最大功耗在1.3瓦左右,奔腾-133是11瓦左右,奔腾 III-1.33G就需要33.9瓦左右,而奔腾 4-1.3G则需要68.8瓦,更高频率的处理器最大功率甚至超过百瓦。功耗和发热影响到CPU性能的进一步提升,更多的创新型节能技术也由此应运而生。

在之前的微处理器发展过程中, CPU的频率提升所产生的功耗和热量增加,尚不足以制约处理器的性能提升,CPU的频率因而顺利提高到“GHz”级。低功耗型CPU的开发最初始于英特尔为笔记本电脑制造的移动版处理器,由于笔记本电脑电池容量有限、体积小,其内部狭窄的空间和密集排列的元器件对低发热量和机器散热性能的要求远高于台式机。功耗与供电电压的平方成正比,降低核心电压可以大大降低CPU功耗,降低系统电压成为有效的降低功耗的办法。

1989年英特尔推出了第一块笔记本电脑专用CPU:80386SL/80386DL,这是首批专门针对笔记本电脑所设计的移动版处理器,其工作电压为3.3V而不是5V。它们增加了一种新的工作方式:系统管理方式(SMM),当进入系统管理方式后,CPU就自动降低运行速度、控制显示屏和硬盘等其它部件暂停工作,甚至进入休眠状态,以达到节能和延长电池工作时间的目的。

1990年英特尔又推出了80486 SL,这款CPU与386SL一样,使用3.3V,而且也有内部切断电路,使微处理器和其他一些部件在不工作时处于休眠状态,从而减少笔记本电脑能耗,延长使用时间。

此后,随着制造工艺的提高,CPU的工作电压逐步下降:3.5V、3.3V、2.8V、1.6V、1.3V。同时,英特尔还开发了一系列如SMM、APM、ACPI和SpeedStep等近十余项节能技术。


由SMM、APM、ACPI到SpeedStep节能技术的进步

SMM,系统管理方式,是指这样一种技术:当系统空闲或执行非中央处理器(CPU)密集型的任务时,微处理器减缓或暂停系统某些部件的工作的能力,以节能和可延长计算机元件的使用寿命。这也是一种比较简单的节能技术。

鉴于电脑的日益普及,美国环境保护署1992年提出了一个全面性的环保和节能规范“能源之星”计划,该计划有关规定几乎涉及所有耗电大的电脑设备,让这些设备在空闲时自动进入休眠状态,譬如显示器黑屏、硬盘停转、CPU停止工作或时钟频率降低等,休眠的设备只有少部分电路处于等待“唤醒”的状态,因此可以显著减少能耗。

APM(Advanced Power Management,高级电源管理)节能规范。1992年,英特尔公司制定出名为 APM的节能规范,APM是一个完全基于BIOS的电源管理技术,所有节能措施的实现都需依靠BIOS—电脑用户必须进入BIOS的电源管理项进行设备节能方式的设置。

ACPI(Advanced Configurationand Power Interface,高级配置与电源接口)规范。英特尔公司在1996年与微软等4家公司一起制定了ACPI规范。5家公司的结盟,使得主板、CPU、BIOS和操作系统在电源管理上联合行动,不仅主板和CPU要支持ACPI,而且显示器和硬盘等主要耗电设备也必须按照这一规范进行设计和制造。

ACPI将电源管理BIOS代码、APM应用编程接口、PNP BIOS应用编程接口、多处理器规范表格等软硬件资源有机地结合在一起,使得系统中的所有设备可以互相进行通讯来了解彼此的使用情况,而且都受操作系统的控制。针对CPU、RAM、硬盘和显示器4种设备,ACPI规范定义了6种状态,使得这些设备的工作状态随节能模式的改变而变化,电脑的功耗逐步减少。

操作系统可监控系统的运行状态,并根据用户所设定的管理策略,适时对硬件设备的工作状态进行调整,达到最大限度节约能源之目的。ACPI的高明之处在于界面十分友好,容易理解、便于上手。

英特尔从1994年至1997年先后开发了VoltageReduction(自动降压)、ClockGating(自动频率调整)、QuickStart(在CPU空闲时自动进入休眠状态)等笔记本电脑CPU专用节能技术,并且在1999年开发了集以上三种技术之大成的SpeedStep技术。

SpeedStep是一项革命性的新技术,它能使处理器在两种工作模式之间自动切换,即接电状态时的最高性能模式和电池状态时的电池优化模式。采用SpeedStep技术的处理器为笔记本电脑带来性能的革新,无论是插电运行,还是脱机使用电池,笔记本电脑均能以近乎台式机的速度运行并达到最佳性能。最高性能模式是指当笔记本电脑连接至交流电源时,可提供几乎与台式机相同的性能;电池优化模式是指当使用电池时,在性能与电池使用时间之间达到最佳平衡,这时的CPU功耗将降低40 % ~50 %,同时保持80 %的最高性能。

SpeedStep系统主要由自动电源识别系统和自动电压调整系统组成,其中包括系统BIOS、终端用户接口软件、切换开关控制ASIC和芯片组。当笔记本电脑运行在电池优化模式时,CPU的电压为1.35伏,频率为500MHz,此时,将笔记本电脑接到交流电源,在小于1/2000秒的时间内,自动电源识别系统和自动电压调整系统将使CPU的电压自动增加到1.6伏,频率按CPU的不同而分别提高到600MHz或650MHz。

 

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