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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

英特尔智能高速缓存。酷睿双核处理器配备有一个采用高级传输高速缓存架构的共享2 MB二级高速缓存。两个执行内核间的系统总线可以实现更加智能化、更加高效的高速缓存和总线设计,能够带来更卓越的双核性能,并有效降低能耗。当另外一个执行内核处于闲置状态时,英特尔智能高速缓存可以让处于运行状态的执行内核使用全部2 MB高速缓存。两个内核之间的动态高速缓存分配可以增强性能,并降低高速缓存的未充分利用率和数据存取的未在率(miss rate)。两个内核之间的高效数据共享可以最大限度地减少前端总线流量,并降低保持高速缓存数据一致的复杂性。

处理器中增强的数据预取逻辑 可以在高速缓存请求发出之前,将数据发送至二级高速缓存中,从而减少了总线周期的损失。英特尔酷睿双核处理器中配备有数据高速缓存设备流处理器(Data Cache Unit Streamer),它可以通过要求一级预取功能提前启动,来提高二级预取功能的性能。增强了数据写入次序缓冲区(Writer Order Buffer)的深度,以提高回写延迟性能;集中式英特尔智能高速缓存控制逻辑实现了电源的优化和功率的降低。

英特尔高级散热管理器。酷睿双核处理器采用全新散热管理系统,可提供更高的准确度和更精确的噪音控制能力。每个内核上的全新数字温度传感器和热量监控器均位于热点附近,从而提高了高温下的准确度,并实现了更精确的风扇控制。此外,该款处理器还支持下一代双核优化稳压器、英特尔移动电压定位技术(英特尔MVP VI),并且还在共享区域内配备了传统的热二极管,作为故障保护机制。

节能型667 MHz系统总线。酷睿双核处理器系统总线采用了分离处理、延迟应答协议(Defferred Reply Protocol)。前端总线(FSB)采用地址与数据源同步传输(SST),在每个总线时钟中可以传输四倍的数据(4倍传输速率或AGP 4X),由此提高性能。这也就是所谓的“四倍并发”(quad-pumped)。地址总线在每个总线时钟内可以提供两倍的地址,这就是所谓的“双时钟”(double-clocked)或2倍地址总线。4倍数据总线和2倍地址总线共同运行,可提供高达5.33 GB/秒的数据总线带宽。前端总线采用高级发射接收逻辑电路(AGTL+)(Advanced Gunning Transceiver Logic)信号技术,此项技术由支持低电压增强的GTL+信号技术演变而来。

支持增强型英特尔SpeedStep技术。酷睿双核处理器可在多个电压和频率工作点上支持增强型SpeedStep技术。此项技术的优势包括:包含从最低频率模式(LFM)到最高频率模式(HFM)的多个性能模式,可在最低功耗时提供最佳性能。可根据CPU的需求,在多个性能模式之间实时动态切换电压和频率。无需重启电脑,即可通过转换总线倍频、内核工作电压和内核处理器速度实现以上切换。通过软件控制电压和频率操作点。有极低的转换延迟以及32 KB一级指令和数据高速缓存。


英特尔酷睿双核处理器的优点


酷睿2双核处理器采用了65纳米制程,含 2.91 亿个晶体管,与英特尔公司之前最好的处理器相比,性能提升了40%,而能耗降低了40%还多。根据多个独立调查组织提供的数据,这款处理器在大型服务器、台式机和游戏基准测试中遥遥领先于其它处理器产品,胜率超过90%。酷睿2双核处理器的节能出色而且性能出众,它能以更快速度同时管理更多的任务,并能更加顺畅地运行多个应用程序,例如,用户可以一面写电子邮件,一面下载音乐或视频,同时还可以进行病毒扫描。此外,这些双核芯片还改善了任务执行能力,比如能顺畅地观看和播放高清晰视频节目,在进行电子交易时保护计算机及其资产,并能延长采用更时尚轻薄外形的笔记本电脑的电池使用寿命。

结语

2006年7月,英特尔公司面向家用和商用个人电脑与笔记本电脑,发布了十款全新英特尔® 酷睿™ 2 双核处理器和英特尔® 酷睿™至尊处理器。英特尔® 酷睿™ 2 双核处理器家族包括五款专门针对企业、家庭、工作站和玩家(如高端游戏玩家)的台式机处理器,以及五款专门针对移动的处理器,以后还将有更多的台式机和笔记本电脑微处理器推出。这些英特尔® 酷睿™ 2 双核处理器设计用于提供出色的能效表现,并更快速地运行多种复杂应用,支持用户改进各种任务的处理。

CPU核心的发展方向是更低的功耗、更先进的制造工艺、集成更多的晶体管、更小的核心面积、更先进的流水线架构和更多的指令集、更高的前端总线频率、集成更多的功能以及多核化等。CPU核心的进步对消费者而言,最有意义的就是能以更低的价格买到性能更强的CPU。

对半导体芯片来说,新工艺往往可以带来运算性能和电气性能双方面的改进。先进的制造工艺往往可以带来功耗的明显降低,而低功耗同时又意味着芯片的工作频率可以继续向上提升一个等级。低功耗让PC更节能,减轻散热的压力,实现安静、低噪音运行。酷睿2双核处理器采用了65纳米新工艺的芯片制造,并结合新的微处理器架构,从根本上创新了CPU的节能技术。

全新微体系结构。每块酷睿2双核处理器中均包含有两个经过优化的执行内核,这一设计可在单独的内核中执行超线程。在同时运行多个要求苛刻的应用时,英特尔®酷睿™2双核处理器可以保证极为卓越的性能和更快的系统响应速度,使每瓦特性能得到提高。

全新微体系结构。每块酷睿2双核处理器中均包含有两个优化的执行内核。这一设计可利用专用的CPU资源,在单独的内核中执行并行线程或应用。因此,在同时运行多个要求苛刻的应用时,英特尔酷睿双核处理器可以保证极为卓越的性能和更快的系统响应速度。此外,多线程应用的性能也得到了相应提升,使每瓦特性能得到提高。

酷睿2双核处理器具有一个高性能的内核架构。该架构采用了微操作融合以及高级堆栈管理(Advanced Stack Management)技术,能够在提高性能的同时,优化能效。微操作融合技术整合了相同宏操作(macro-op)中的多个微操作。高级堆栈管理则可以在局部范围内追踪有关堆栈指针的变化,从而降低堆栈相关操作中的微操作数量。微操作数量的减少意味着,可以在能耗更低的情况下,更加有效地实施调度、“按需”提供性能。

增强型应变硅技术(Strained Silicon)。如果能迫使硅原子的间距加大,就可减小电子通行所受到的阻碍,也就相当于减小了电阻。这样一来,发热量和能耗都会降低,加速晶体管内部电流的通过速度,而运行速度则得以提升,晶体管获得更出色的效能。

该技术的原理是将硅的晶体拉伸,这样沿拉伸方向电子的迁移率就会提升,导致电阻减小。在MOS管的栅极下沟道处的硅做成拉伸的“应变硅”,当MOS管打开时电流就会更顺利地沿拉伸方向在源极和漏极之间流动,速度也能更快,向衬底分散的漏电流就会相应减少。

在65纳米工艺中,英特尔采用更先进的第二代高性能应变硅,该技术可以让晶体管的激励电流进一步提升到30%。凭借这项技术,英特尔可以确保在65纳米工艺中继续领先。而鉴于应变硅技术的明显效果,IBM、AMD等半导体企业都准备开发类似的技术。

高K值材料技术。与应变硅加速晶体管内电流速度相反,在不同晶体管之间需要更好的绝缘,以避免电流泄漏的问题。在90纳米工艺之前,这个问题并不严重,因为晶体管之间有较长的距离。但转换到90纳米工艺之后,不同晶体管的间距变得非常之短,电流泄漏现象变得异常严重。英特尔决定采用高K值的氧化物材料来制造晶体管的栅极,英特尔称之为“高K栅电介质”(High K gate Dielectric)。这种材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到二氧化硅的10000倍,电子泄漏基本被阻断,这样就可以在绝缘层厚度降低到0.1纳米时还拥有良好的电子隔绝效果。

低K电介质材料技术。进入到65纳米工艺之后,英特尔实现了8层铜互联结构,每一个芯片可以容纳8个不同的逻辑电路层。层数越多,芯片占据的面积就越小,成本越低,但同时也要面对更多的技术问题。不同的电路层需要用导线连接起来,为了降低导线的电阻,采用金属铜来代替以往的金属铝。其次,两个电路层之间会产生一定的电容效应(C值),由导线电阻R和层间寄生电容C共同产生的RC延迟决定着芯片的高速性能。电路层越多,RC延迟就越高,芯片不仅难以实现高速度而且会增加能耗。使用电阻率更低的铜代替铝作为导线,可以一定程度降低RC延迟。由于寄生电容C正比于电路层隔绝介质的介电常数K,若使用低K值材料(K<3)作为不同电路层的隔绝介质,问题便迎刃而解了。英特尔为65纳米工艺准备了一种K值很低的含碳氧化物。

英特尔动态功率调节。采用了增强的低能耗管理技术,英特尔酷睿双核处理器可以“按需”提供经过协调的双核性能。除支持双核协调平台更深度和增强型更深度睡眠 电源管理状态转换外,英特尔动态功率调节还支持单个内核动态转换至间歇、时钟停止和深度睡眠电源管理状态。共享的电源管理逻辑可以在硬件中协调增强型英特尔SpeedStep动态节能技术和空闲电源状态(C状态)转换,从而更加高效地管理电压和频率。英特尔酷睿双核处理器可以在极低电压下运行,并采用了先进的高级技术,可最大限度地降低时钟频率和信号转换,从而降低运行状态下的能耗。由于拥有全新的低频模式电源管理状态,因此英特尔酷睿双核处理器可以更快地切入和退出这些状态,从而保证了极高的响应速度和良好的节能特性。酷睿双核处理器还具有动态总线暂停(Dynamic Bus Parking)特性,当处理器处于这些低频模式状态时,芯片组的能耗也随之降低,从而提高了平台的整体能耗。

支持动态高速缓存大小调整的增强型英特尔更深度睡眠特性。CPU的缓存单元从来都是发热大户,尤其是二级缓存占据晶体管总量的一半多、功耗极为可观。为了降低大容量缓存带来的高热量,英特尔为其65纳米SRAM芯片中引入了全新的“睡眠晶体管”功能,当SRAM内的某些区域处于闲置状态时,睡眠晶体管就会自动切断该区域的电流供应,从而令芯片的总功耗大大降低。此时,睡眠晶体管可以看作是SRAM的小型控制器,可以控制SRAM单元的晶体管进行“睡眠”。可以根据需求或在空闲期间内动态刷新系统内存。数据保存在内存中后,节能特性将随着高速缓存通道的关闭而开启。由于二级高速缓存的数据完整性决定了英特尔酷睿双核处理器更深度睡眠的最低电压限制,因此一旦动态高速缓存大小调整特性将全部二级高速缓存转移到内存中,处理器就会切换至一种新的电源管理状态。这就是所谓的增强型英特尔更深度睡眠技术,它支持处理器将电压降低至更深度睡眠最低电压以下,以增强节能性和/或提高效率。

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