功率就是上帝

　　在當今能源緊缺的時代，以筆記本電腦、手機和數碼產品為代表的便攜式產品也以不同的方式處于能量饑渴狀態。盡管眾多公司推出了各種先進的電源管理芯片（預計到2010年將增長至120億美元），仍不能從根本上解決問題。對這類電子產品，消費者在要求更多的功能、更高的性能同時，還希望產品更輕薄、外觀更酷、功耗更低、使用時間更長。這無論對芯片制造商，還是電源生產廠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的（見表1）。目前，“功率就是上帝”已成為人們的共識，設計人員的觀念發生了根本的轉變，從片面地追求速度轉變為在功率許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Centrino商標芯片及其它無線芯片。設計人員從材料、單個晶體管、電路、以致系統各個層面來解決功率問題，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GHz。
摩爾定律告訴我們，集成電路上的晶體管數量每隔18個月就能翻一番。如何利用大規模集成的優勢，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越。另一個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，設計人員將讓集成度發揮到極限，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網絡處理功能，甚至手寫成語音識別功能。
 
靜態功耗

　　眾所周知，靜態功耗的主要敵人是漏電流。由于晶體管越做越小，越做越薄，開關電路在關閉時不可能完全消除漏電流。解決漏電流問題，需要在材料上和器件結構上創新。前幾年，Intel公司就掀起了一個聲勢浩大的堵漏運動。首先在晶體管構造上，傳統的平面晶體管只有一個柵極，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，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，在此場合其標稱的K值為4?，F在使用稱為高K值柵電介質材料，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，AMD公司也在積極行動著。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臁Ｋ麄兊母哒惺遣捎谩皯児琛被颉敖^緣體上硅”技術。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制造晶體管通道的話，格子里的原子將被分散在較遠的距離，可以將原子拉長，那么電子在通過稀疏的原子晶格時遇到的阻抗就大大下降，只要將原子拉長1%，就可以提高10~20%的速度，而成本只增加了2%。

新標準出臺

　　隨著技術的發展，制定了一系列新標準，這些標準也有助于進一步節省功耗。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來全面控制電源管理，使系統更加省電。主要特點是：提供立即開機功能，即開機后可立即恢復到上次關機時的狀態；光驅、軟盤、硬盤等在未使用時會自動關掉電源，使用時再打開；支持開機狀態下的即插即拔，隨時更換功能。ACPI支持三種節電方式：（1）：掛機顯示屏自動斷電，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，只有內存等幾個關鍵部件通電，按下任意鍵后，計算機讀取當前信息，很快恢復到原來狀態；（3）：掛機到硬盤，關機前將當前數據存儲在硬盤上，用戶下次開機時，計算機將無須啟動操作系統，直接從硬盤讀取數據，恢復原來狀態。
 
　　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熱量，據估算，DDR2能比DDR節電約25%。

　　在移動電視方面，DVB組織制定了DVB-H標準，全稱為數字電視廣播――手持。它采用時間分片技術，就是用高速率突發低速率的數據流。接收機前端只在突發時間內工作，其余時間是關閉的，這樣便能進一步降低功耗。例如，對500kb/s數據流，若突發頻率為它的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。工程師們正大力研發高發光效率螢光屏和低功耗LED背光。而有機LED無需背光即能顯示，雖然目前還只有少量小尺寸樣品，相信不久將來會有重大突破。

　　盡管電源的功率容量以每年10%的速度遞增著，但這似乎還不能滿足發展的需要。人們要求更先進的電源管理方案，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，預測電池的實際剩余能量加以利用。英國一家公司研發了一種稱為智能能量管理（IEM）軟件，不僅可以關閉不工作的部件，還可進一步跟蹤處理器執行系統任務的工作負荷，根據不同的情況調整處理器的電壓，在不影響任務執行的前提下降低工作速度。由此可見，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、手機上網和無線電視等等的服務。

東華

表1　速度與功耗＊

＊     CPU的種類眾多，有不同的速度和功耗，此表數據僅供參考。