透析移动CPU节能技术
硬件周刊
尽管目前电池技术已经有了很大的进步，但是对于笔记本电脑来说依然是杯水车薪。而CPU是整台笔记本电脑中的耗电大户，如果能够降低CPU的功耗，那么笔记本电脑的移动性优点才能充分体现出来。因此，“在保持一定性能的情况下让CPU功耗最低化”成了各处理器厂商的梦想。
CPU如何节能
众所周知，在便携式系统方面，处理器速度越快所需要的电源电压越高，功耗也越大，相应的电池寿命也就越短，这使得电源管理显得尤为重要。因此，笔记本电脑的处理器(即移动CPU)独特之处，在于它的最大耗电量相当的低。那么为什么移动CPU的最大耗电量(发热量)能够那么低呢？答案就在于较低的工作电压。
根据公式P∝C×f×V2(其中：C代表CPU晶体管数量；f代表CPU频率；V代表CPU核心电压)，大家可以发现电量消耗P和CPU晶体管数量、核心电压V的平方以及CPU核心频率成比例增加。所以降低核心电压V，就是降低CPU功耗、发热量最有效的方法。不过就技术而言，降低核心电压会增加晶体管的切换时间，以及处理器内部的传输时间。因此为了确保运作的稳定性，在降低核心电压的同时，也必须降低核心时钟频率。而最高时钟频率速度和最低核心电压两项规格，在设计CPU的时候就已经确定了。不过在对生产制程或设计进行改良后，还是能改变理论上的静态时钟频率/电压的理念，而移动CPU正是根据这一原理来降低功耗的。下面就让我们看看CPU厂商各自的CPU节能技术！
Intel的节能技术
1.SpeedStep技术的运行模式
谈到CPU节能技术，相信大家都会首先想到英特尔的SpeedStep技术。SpeedStep技术可以让处理器在“最高性能模式”和“优化模式”这两种工作模式之间随意切换工作。所谓最高性能模式是指当笔记本电脑与交流电源连接时，开始按照处理器的真正频率满负荷运行；而电池优化模式是指当笔记本电脑使用电池时，会主动降低处理器的运行频率，从而使笔记本电脑性能的发挥与其电池使用时间达到最佳的平衡。
2.SpeedStep技术的工作原理
那么SpeedStep是如何实现这个切换工作的呢？一般来说，CPU的倍频在开机的时候就已经决定了，因此若要改变电压与倍频通常得重新开机才行。不过，在笔记本电脑主板或在笔记本电脑模块中的SpeedStep控制单元，则会自动侦测目前电源运作的模式。当操作系统 (Windows 98/Me/2000/XP) 对SpeedStep控制单元发出新的电源状态并将CPU础睡眠状态时，SpeedStep控制单元此时会调整CPU的电压与倍频。经过调整后，控制单元便强迫CPU醒来。自动切换的过程仅需1/2000秒即可完成。简单地说，SpeedStep原理就是根据电源变动情况来决定是降低CPU的电压/倍频(具体的调整范围视不同的处理器型号而定)还是决定以正常工作频率/电压来工作。利用SpeedStep技术可以增加10%至20%的电池使用时间，不过这是在牺牲性能的前提下实现的。用户也可通过支持SpeedStep技术的控制软件选择最高效能模式！
SpeedStep最先应用在英特尔的Mobile Pentium Ⅱ之上，后来随着Mobile Pentium Ⅲ、Pentium Ⅲ-M和Pentium 4-M的推出，英特尔则推出了第二代SpeedStep技术──增强型SpeedStep技术(Enhance Intel SpeedStep Technology，EIST)，该技术所做的改进主要在于提供更多的电压和频率工作点，处理器可以在不同频率间进行快速切换，这个切换过程仍由操作系统统一负责。而目前的Pentium M(迅驰)则采用了第三代SpeedStep技术。不过第三代SpeedStep技术仅属于改良增强型SpeedStep技术(Improved Enhanced SpeedStep)，仍只有两种基本工作模式，但与第二代相比增加了更多频率速度与电压设置。
3.IMVP技术
增强型SpeedStep所提供的多个频率断点的优势在于可以让处理器根据应用程序选择所需的运算能力，在性能和功耗间取得最理想的平衡。增强型SpeedStep之所以可提供多个电压/频率工作点，奥秘在于英特尔开发的IMVP(Mobile Voltage Positioning)移动电压定位技术，该技术完全取决于处理器而不需要芯片组支持。右图可以解释它的运作原理。
对桌面处理器来说，通常电压调节器在提供CPU电力时，电压会保持不变，无论处理器的负载多重，核心电压都会保持在容许范围内。而IMVP则可动态控制处理器电压调节，它可根据处理器的负载情况选择所需的电压值：能够使高负载状态下的CPU耗电量降低。所以和采用静态电压调节器的系统相比，配备IMVP电压调节器的笔记本电脑会有比较低的设计功耗、平均与主动耗电量。目前为止它已经发展到第四代，也就是Banias Pentium M上所使用的IMVP4技术。
4.QuickStart技术
除了SpeedStep技术，英特尔在Pentium 4-M和Pentium M上还引入了一项QuickStart技术来降低CPU功耗。QuickStart 技术提供了休眠(Deep Sleep)和深度休眠(Deeper Sleep)两种模式，会在CPU没有执行任务的时候，自动将耗电量减低(0.5瓦以下)。
5.节能型二级缓存设计
在上面我们已经提到CPU的功耗与晶体管规模是成正比的，而二级缓存占据的晶体管数量往往非常可观(1MB容量大约需占据5000万晶体管)。那么如何在增加晶体管数量的情况下来保持低功耗呢？针对这个问题，英特尔在Pentium M中首次引入了特殊的节能型二级缓存设计理念。英特尔的特殊的节能型二级缓存设计原理就是：将二级缓存单元分组，然后根据CPU负载情况来动态激活缓存单元：在高负载的情况下，激活所有二级缓存单元，此时功率最大；而在中、低负载情况下，让不需要使用的缓存单元础休眠状态。这无疑可以大大节省二级缓存的电源消耗。Pentium M处理器正是采用此种设计：Pentium M的1MB二级缓存为8路关联式结构，每一路又被分割成4个区，整个缓存被划分为32个区域，然后通过高智能逻辑控制器根据负载情况自动激活所需要调用的缓存单元区域。正是采用这种设计，Pentium M在晶体管大幅增加的情况来，功耗却远低于Pentium 4-M。
可以预见，Pentium M的节能型缓存的设计将成为未来半导体芯片的主导。目前NVIDIA和ATi也在自己的移动型图形芯片中初步引入该种设计。
AMD的节能技术
1.PowerNow！技术的工作模式
作为消费类处理器市场另一极的AMD对节能技术也非常重视，它也针对自己的移动处理器开发出自己的节能技术──PowerNow！技术。
PowerNow！的工作模式与SpeeStep类似，其共提供全速运行的“高性能模式”；以省电为目，始终以最低速度最低电压运行的“省电模式”；以及在性能和功耗间取得合理应用的“自动平衡模式”。并提供多达6个电压设置点和32组频率调节，而且电压/频率调节完全是自动进行的：控制软件可侦测出应用程序所需的性能，并据此来实时调节处理器的电压和频率。例如，当启用应用程序时，PowerNow！将处理器切换到高频率状态以保证程序能快速载入。而在进入应用程序之后，由于系统在等待用户进行输入操作期间处理器负载是很低的，在这种情况下PowerNow！就会发出降低时钟频率的指令让处理器降低频率。当用户开始使用这个程序时，处理器的频率又会根据负载动态提升。
2.PowerNow！技术的特点
PowerNow！值得称道的地方是真正地做到了智能调整！除非使用者另外设定电源管理功能，否则省电功能会完全自动地执行，这并不需要使用者更改操作系统与BIOS的任何设定。但是，操作系统会持续侦测处理器的负载并通过驱动程序与处理器沟通，这是为了正确地控制频率与电压。所有可能的频率与电压的设定会储存在笔记本电脑的BIOS中的电源管理内，并可以让使用者更改设定。随着处理器的不同，会有不同的频率与电压设定。当编写电源管理程序时，设计师也可以决定是否内建所有可用的频率与电压设定，或是只包括一部分的设定。因此AMD只要对PowerNow！控制软件进行适应性升级就可以升级PowerNow！调控设定。
PowerNow！最早出现在Mobile K6-2+中，目前Mobile Athlon XP，Mobile Athlon 64也采用这项节能技术。就技术而论，PowerNow！比SpeedStep要先进，它在提供卓越节能效果的同时让用户不会感觉到会有太明显的性能下降，根据任务动态调节频率的方式也显得非常人性化。在实际使用中，PowerNow！可以延长最多达70%的电池时间，效果极其明显。倘若你还不满意，也可以选择PowerNow！提供的“省电模式”，此时它与SpeedStep一样、使用电池时电压、频率都降到最低点，虽然可以让电池使用更久，但是用户会觉得系统的速度慢了很多。
不过，受Athlon XP架构的限制，即使PowerNow！节能效率优异，但AMD的移动处理器的功耗仍高于Intel的产品。
全美达的节能技术
在移动处理器市场，除了Intel、AMD之外，我们不能忘了移动CPU市场的黑马──全美达(Transmeta)公司。相对于Intel、AMD，全美达所推出的Crusoe处理器的所采用软硬结合节能解决方案可谓别具一格！
Crusoe的LongRun节能技术虽然与SpeedStep、PowerNow！一样，都是通过降低电压/频率来实现节能，但LongRun与这些技术存在不小的差别：LongRun是集成于代码融合软件中的软件算法，根据负载状态敏感地调节处理器的电压和时钟频率。虽然传统CPU主要也是靠这种方式调节功耗，但是LongRun的敏感程度比其他任何处理器都要高。在处理器工作时，LongRun一直监视处理器的工作，并且一旦运行的条件改变就立即动态交换这些信息，然后找出电流工作满载的最低频率/电压点来代替刚才的工作频率/电压点：通过“LongRun”的动态能源管理机制，处理器频率可以33MHz为单位变动，电压以25mV的间隔来变化，最多每秒可高达200次频率/电压的改变速度，正确调整应用程序所需要的电源。这里特别要指出的是：当时钟速度下降的时候，CPU所消耗的电能会以几何级数下降，而不是线性下降，就是说，芯片时钟速度只需要降低10%，功耗就可以降低30%，功耗和电压平方成正比，只要稍微降低电压，就可以显著降低功耗。而这些改变对于处理器来说都是连续的、即时的，所有的调节对用户来说都是无缝和透明的。
显而易见，类似LongRun的节能技术是今后笔记本电脑CPU节能技术发展的方向。目前全美达已经推出第二代LongRun技术，与上一代LongRun技术相比，LongRun2增加了一个硬件调控功能，可以通过对晶振的动态调整，有效地减小漏电流从而达到更大的节能效果。
结语
随着CPU频率和晶体管的增加，如何有效控制、降低CPU的功耗是各大处理器厂商的一大难题。可以预见，未来节能技术将成为处理器研发的重点之一。值得一提的是，目前AMD已经将节能技术引入了其最新的桌面处理器──Athlon 64中，这也许预示着桌式处理器节能时代的开始。