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Crusoe:微处理器设计的重大革命

  不久前美国风险企业Transmeta公司推出其潜心4年开发出来的崭新微处理器 Crusoe

  ,这种微处理器因其突出的节能性能而倍受关注。人们认为它体现了微处理器设计思想的重大革命,展现了后PC时代的微处理器风貌。

  从单纯追求高性能向重视节能的转变

  Crusoe目前有两款产品:700MHz的TM5400和400MHz的TM3120。前者用0.18微米规则、 Cu配线制造,在73mm2的面积上集成了2370万个晶体管。后者用0.22微米、Cu配线制造,在77 mm2的面积上集成了900万个晶体管。前者还加有用以节能的LongRun功能,在进行 MPEG2解码时,前者耗电约1.6W,后者耗电约3.2W。同性能与其相当的在500MHz下工作的 Mobile PentiumIII相比,前者耗电仅为其16%至32%,后者耗电仅为其23%至42%。

  以往,人们在开发微处理器时只追求高性能,如Intel在发展86系微处理器时便是这样。那时,人们把随着性能提高而耗电增加视为理所当然,并没有把它当作一个问题;何况,随着微处理器性能提高,便会出现一些新的应用软件,计算机的用途也随之扩大,用户也随之增加。提高微处理器的性能成为开拓市场的重要而有效的手段,人们更是一门心思扑在提高性能上。

  但是,当1999年工作频率达到500MHz时,情况发生了变化。因为有了500 MHz的微处理器,用MPEG2编码的动画,可以通过软件进行解码;至于文本生成和图表计算更不会有性能不够的问题。也就是说,提高性能对开拓计算机的应用和市场,效果已不那么显著。

  另一方面,人们提高性能的速度越来越快了。1999年初刚推出的PIII,工作频率不过450 MHz,年底便超过了700 MHz。2000年上半年又达到1GHz,而年底还会提高到1. 5GHz,预计2001年将出现2GHz的微处理器。提高性能变得不那么稀罕了。

  在此情况下,人们把目光转向后PC时代。后PC时代的特点是Intrenet高度普及,上网的工具也不仅限于PC,更主要的将是各种嵌入式设备。同时,随着信息在人们日常工作和生活中起越来越大作用,人们希望随时随地都能方便地交流信息。因此移动计算、移动上网将成为今后的主流。各种便携式信息设备也将成为IT设备的主流。对它们来说维持更长的连续工作时间已成为主要矛盾,也就是说节能已成为迫切需要。

  每年一度的ISSCC(国际固态电路会议)因其权威性,被誉为半导体领域的奥林匹克会。在今年的年会上,最引人瞩目的主题是“2001年实现2 GHz”和“每1W实现 1000MIPS运算性能”。这说明人们已把节能放在首要地位。难怪人们把它形象地表达为 “宁可要500 MHz/1W的,而不要1.5GHz/50W微处理器。”Crusoe的出现正体现了这种潮流。人们把这种现象比喻为从崇尚“短跑型”选手转而崇尚“马拉松型”选手。

  Crusoe出现的意义不仅在于给移动计算、移动上网提供强有力的手段,加快了它们的发展,而且势必带动包括Intel在内的厂家转变开发观念,使微处理器的开发,从单纯追求高性能转到还要重视节能这样的新阶段。

  把便携式计算机提高到崭新水平

  Crusoe的出现,使兼有以下4个条件的便携式计算机能够实现:和台式机媲美的运算性能;能执行台式机使用的应用程序;轻而小便于携带;电池驱动时间足够地长。

  迄今为止,还没有同时满足以上4个条件的便携式计算机。例如,电池驱动时间长的常搭载WindowsCE,而且都使用节能的面向嵌入式系统的RISC型微处理器,因为同86系微处理器不兼容,因此不可能执行台式机使用的应用程序。

  搭载高性能86系微处理器的笔记本式机,固然能运行台式机使用的程序,但它通常较重而且电池驱动时间极短。

  至于掌上型信息设备,便携性固然好,但不能指望它的性能和用途能和台式机处于同一档次。

  精细的电力控制,和软件作用

  Crusoe的出现克服了以上种种问题,把便携式计算机提高到崭新水平。实现这样突破的关键在于节能。之所以能够大大节能,一是采用VLIW(极长指令字)结构,简化了硬件;二是对电源电压进行精细控制。在这两个措施中,都借助了软件的作用。另外,软件还使得Crusoe同86系微处理器兼容。可以说,软件起了举足轻重的作用。

  除了简化硬件实现节能外,TM5400还拥有名为 “LongRun”的电力控制功能,以进一步节能。

  我们知道,要求运算性能高就要求工作频率高,而工作频率高就要求内部电源电压高,内部电源电压高直接导致耗电增加。通常,微处理器在工作中,工作频率不变,但不是做任何工作都需要保持最高的运算性能,因此在许多时候都没有必要保持高的工作频率,白白浪费了电能。微处理器性能越高,这种情况越严重。

  为了克服这一缺点,LongRun把工作频率从200MHZ至700MHZ分成16级,相应地电源电压也从+1.1V至+1.65V分成16级。每20毫秒对微处理器监测一次,看看此时的工作频率同所担负的任务是否适应。过高或过低都要进行调整,调整要一级一级地进行,每一级切换的最长时间为20微秒。例如要从700MHZ(+1.65V)调到500MHZ(+1.5V),需经过6次切换,调整所需的最长时间为120微秒。通过这样精细调节,大大提高了节能效果。

  使用6种应用软件(Windows98 SE的装载、Windows98 SE的休闲状态、Office2000、 WWW浏览软件、MP3的解码、DVD视像的解码)进行实测。结果说明拥有LongRun功能的 T5400耗电只有Mobile PentiumIII的16%至32%,而没有LongRun功能的TM3120也只有其 23%至42%。由此可见Crusoe的节能效果。

  Crusoe在设计中,极大地发挥软件作用,以达到节能的目的。具体地说,利用软件来安排指令执行顺序,使硬件得以大大简化;利用软件来变换指令,使能够同86系微处理器兼容;利用软件实现精细的电力控制,进一步加大了节能效果。

  Crusoe的设计思想正被人们所接受

  Crusoe为了节能而采取的简化硬件和动态控制电力的思想,正被人们所接受。例如,富士通在开发其“FR-V”微处理器时,也采用128位长的VLIW结构以简化硬件实现节能。但NEC在简化硬件实现节能时则走另一条道路,即把若干个构造比较简单的CPU内核集成在一起,这就是所谓的“单芯片多处理器”构造,“MP98”便采用这样的构造。另外, Intel、UCB、Volterra等正在合作开展能动态控制电力的微处理器,以达到节能的目的。(陈幼松)

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