功率就是上帝

　　在当今能源紧缺的时代，以笔记本电脑、手机和数码产品为代表的便携式产品也以不同的方式处于能量饥渴状态。尽管众多公司推出了各种先进的电源管理芯片（预计到2010年将增长至120亿美元），仍不能从根本上解决问题。对这类电子产品，消费者在要求更多的功能、更高的性能同时，还希望产品更轻薄、外观更酷、功耗更低、使用时间更长。这无论对芯片制造商，还是电源生产厂都提出了更高的要求。

速度与功耗

　　速度一直是芯片制造商追逐的目标，然而速度是以极大地牺牲功耗为代价的（见表1）。目前，“功率就是上帝”已成为人们的共识，设计人员的观念发生了根本的转变，从片面地追求速度转变为在功率许可的条件下设计出性能合理的处理器芯片。Intel放弃了比Prescott速度更快的Tejas处理器芯片就是很好的例子。随后，该公司推出了大众化的低功耗PentiumM和移动Centrino商标芯片及其它无线芯片。设计人员从材料、单个晶体管、电路、以致系统各个层面来解决功率问题，取得了明显的效果。在上世纪90年代末，30W功率处理器的速度仅为600MHz，而现在已能达到几个GHz。
摩尔定律告诉我们，集成电路上的晶体管数量每隔18个月就能翻一番。如何利用大规模集成的优势，除了常规的更复杂、功能更强大而功耗急剧上升的单核设计外，工程人员还另辟蹊径，即双核设计。尽管双核中每个处理器的速度比单核处理器慢，但其总体性能却比单核处理器优越。另一个利用大规模集成的方案就是熟知的系统芯片（SoC）。由于功能单元集成在同一块芯片上，信号传输的路径更短了，因而其速度也更快了。展望未来，设计人员将让集成度发挥到极限，不仅要集成数字处理单元、高速缓存，闪存控制器，还要集成MPEG媒体编解码器、TCP/IP网络处理功能，甚至手写成语音识别功能。
 
静态功耗

　　众所周知，静态功耗的主要敌人是漏电流。由于晶体管越做越小，越做越薄，开关电路在关闭时不可能完全消除漏电流。解决漏电流问题，需要在材料上和器件结构上创新。前几年，Intel公司就掀起了一个声势浩大的堵漏运动。首先在晶体管构造上，传统的平面晶体管只有一个栅极，而新设计的“三栅”晶体管在顶部和两侧都设置了栅极，能更好地控制栅极电流的流动，结果使漏电流减少到原先的十分之一。其次是寻求更佳的绝缘材料，即所谓“高K”材料。晶体管通常是用一薄层二氧化硅隔离的，在此场合其标称的K值为4。现在使用称为高K值栅电介质材料，这种材料对电子泄漏的阻隔效果是二氧化硅的10,00倍，极大地减少了漏电流。此外，工程人员还发现，芯片上约有80%的晶体管并不需要如此高速的，在这些地方完全可使用低速的而漏电流小的晶体管。

　　在另一条战线，AMD公司也在积极行动着。该公司和IBM合作制作新型晶体管。可在相同工作电压下使速度更快。他们的高招是采用“应变硅”或“绝缘体上硅”技术。绝缘体上硅就是在绝缘体上面构建晶体管，一层绝缘体、一层硅，这种夹层式结构减少了晶体管的电容，从而提高了工作速度。如果用应变硅代替普通的硅来制造晶体管通道的话，格子里的原子将被分散在较远的距离，可以将原子拉长，那么电子在通过稀疏的原子晶格时遇到的阻抗就大大下降，只要将原子拉长1%，就可以提高10~20%的速度，而成本只增加了2%。

新标准出台

　　随着技术的发展，制定了一系列新标准，这些标准也有助于进一步节省功耗。ACPI（高级配置与电源接口）是新型电源管理规范，意图是让操作系统（Windows或Linux）而不是BIOS来全面控制电源管理，使系统更加省电。主要特点是：提供立即开机功能，即开机后可立即恢复到上次关机时的状态；光驱、软盘、硬盘等在未使用时会自动关掉电源，使用时再打开；支持开机状态下的即插即拔，随时更换功能。ACPI支持三种节电方式：（1）：挂机显示屏自动断电，只是主机通电；（2）：挂机到内存，系统把当前信息存储在内存中，只有内存等几个关键部件通电，按下任意键后，计算机读取当前信息，很快恢复到原来状态；（3）：挂机到硬盘，关机前将当前数据存储在硬盘上，用户下次开机时，计算机将无须启动操作系统，直接从硬盘读取数据，恢复原来状态。
 
　　目前，主流机型的内存都已采用DDR2标准，相继推出了DDR2　400、DDR2　533、DDR2　667产品。DDR2内存采用1.8V电压，相对于DDR标准的2.5V，降低了不少，从而提供了更小的功耗和更低的发热量，据估算，DDR2能比DDR节电约25%。

　　在移动电视方面，DVB组织制定了DVB-H标准，全称为数字电视广播――手持。它采用时间分片技术，就是用高速率突发低速率的数据流。接收机前端只在突发时间内工作，其余时间是关闭的，这样便能进一步降低功耗。例如，对500kb/s数据流，若突发频率为它的10倍，理论上可以节省90%的功耗。

还须努力

　　上面介绍了众多节能措施，但这还不是事物的全部。例如目前普遍使用的LCD屏和背光是耗电大户。工程师们正大力研发高发光效率萤光屏和低功耗LED背光。而有机LED无需背光即能显示，虽然目前还只有少量小尺寸样品，相信不久将来会有重大突破。

　　尽管电源的功率容量以每年10%的速度递增着，但这似乎还不能满足发展的需要。人们要求更先进的电源管理方案，以榨干每一滴可以利用的能量。TI设计的最新控制芯片，能编辑和分析有关电池充电、放电、老化和其它电气性能的全面数据，预测电池的实际剩余能量加以利用。英国一家公司研发了一种称为智能能量管理（IEM）软件，不仅可以关闭不工作的部件，还可进一步跟踪处理器执行系统任务的工作负荷，根据不同的情况调整处理器的电压，在不影响任务执行的前提下降低工作速度。由此可见，正是由于广大工程人员的共同努力，我们才有可能尽情地享受游戏、手机上网和无线电视等等的服务。

东华

表1　速度与功耗＊

＊     CPU的种类众多，有不同的速度和功耗，此表数据仅供参考。