夏日里的清凉之风——探究Atom处理器低功耗、低发热量之谜
技术空间
Intel新推出的Atom（凌动，昵称为“阿童木”）处理器是大家近期关注的焦点。在芯片不足25mm2的面积上，集成4700万个晶体管，TDP（热设计功耗）为0.65W~2.4W，这些参数让我们感到更多的是一种惊奇。它如何能做到如此低的功耗呢？难道仅仅是是采用全新的微架构，保留了酷睿2处理器的指令集，于是成就了这款低功耗高性能的处理器吗？
Atom功耗有多低？
在了解Atom功耗有多低之前，我们还是先来看一下现在使用的电脑的TDP功耗吧。
1.主流台式机处理器的TDP功耗
近几年来，Intel和AMD等厂商为控制处理器功耗作出了巨大的努力。但对于性能强劲的台式机四核处理器来说，功耗仍然偏高。如AMD 羿龙X4 9850处理器（主频为2.5GHz）TDP功耗已达125W（注：虽然TDP功耗与实际功耗没有直接关系，但TDP越低，实际功耗也会越低），比主频低300MHz的羿龙X4 9550四核处理器功耗高出整整30W；Intel顶级的四核处理器QX9770的主频为3.2GHz，TDP功耗也达到了150W。这些TDP功耗虽然不是实际功耗，但单从数字上来看也是相当惊人的。
双核处理器的功耗控制相对出色，多数台式机的双核处理器目前都可将TDP功耗控制在65W左右。比如热销的酷睿2 E8200 TDP功耗只有65W。
2.主流笔记本处理器的TDP功耗
笔记本处理器的功耗控制一直都比台式机更为出色，Intel的迅驰和迅驰2平台最大技术优势就是功耗控制能力非常好，带来的好处就是可获得更高的电池续航能力。45nm酷睿2双核处理器P系列的TDP是25W，而T系列是35W。
众所周知，Intel还有功耗更低的低电压版本及超低电压版本迅驰系列处理器，如超低电压版的U7000系列（如U7500/U7600）的TDP功耗为9W～10W。
目前推出Atom处理器的具体功耗是多少呢？Atom Z500处理器的TDP为0.65W（主频800MHz、512KB L2缓存）、Atom Z530处理器的TDP为2W（主频1.6GHz、512KB L2缓存）、Atom N270处理器的TDP为2W（主频1.6GHz、512KB L2缓存）。可见，Atom处理器的功耗比主流台式机和笔记本处理器低不少。那么而究竟是采用了哪些技术，让Atom处理器功耗这么低呢？
45nm制程是低功耗的保障
无可否认，45nm的制程工艺是处理器功耗能得以降低的最大保障。制造工艺越先进，代表制造精度越高，意味着在同样大小面积的核心中，可以拥有密度更高、功能更复杂的电路设计，在同样的材料中便可以制造更多的电子元件，连接线也越细，从而提高芯片的集成度。
而在晶体管数量不变的情况下，晶体管的连接线宽度越小，核心尺寸越小，功耗和发热量就越低，成本也就越低（Atom N230目前售价只有29美元，以后还会降低）。所以更先进的制程工艺可减少芯片的功耗，从而减少其发热量，解决核心频率提升的障碍。Atom处理器使用最新的45nm制程工艺，为这个低耗电量的处理器奠定了坚实基础。而随着未来32nm制程的普及，将可能为Atom处理器带来更低的功耗和更高的性能。
采用“顺序执行”技术
目前的X86处理器大多采用乱序执行（Out of Order）技术来提升处理器效能，虽然其执行效率很高，但需要更多的晶体管和更高的功耗来保障执行的效率。为此，Intel在Atom处理器上应用了“顺序执行（in-order）”技术——所谓顺序执行就是CPU按照每个线程的指令顺序执行的模式，在指令具有很强的并行性的图形操作领域及功耗控制方面，顺序执行可大显神威。
Atom采用了超标量双指令并发+顺序执行的核心设计，并且Intel为其配备了两个解码器。这些解码器从L1缓存中拾取运算指令，通过解读指令包含的1和0排序来翻译指令给CPU。而通过SMT（Simultaneous Multi-Threading，并发多线程技术）的引进和频率的提升，Intel成功弥补了顺序执行技术为Atom处理器带来的执行效率上的性能缺失，让Atom处理器在保持0.65W~ 2W TDP功耗的同时，性能直迫大名鼎鼎的“图拉丁（Tualatin）”，而后者的TDP功耗在20W～30W。
此外，采用“顺序执行”技术可降低处理器电路设计的复杂度，从而节省单位面积内的晶体管使用量，这样核心面积可以做得更小了，发热量自然也更小，你也就不难理解其核心面积只有一美分硬币的1/11了。并且，可以期待的是，在“顺序执行”技术成熟后，Intel有望在不大幅增加处理器功耗的情况下，让Atom处理器集成更多内核，从而大幅提高该处理器的性能——目前的酷睿2双核处理器在65nm制程下的芯片面积为140mm2，如果改用顺序执行单元，同样芯片面积能够容纳多达10个内核，每个内核都具有同步多线程（SMT）功能，而考虑到功耗问题，就算在Atom内只集成双核或四核，带来的效能提升也会让人非常兴奋。据悉，Atom双核330处理器将在9月发布，1.6GHz主频、1MB L2缓存（512KB×2）、TDP仅为8W，对于一款双核处理器来说功耗控制得非常好。
启用C6电源待机模式
大家知道，电脑具备一种重要的节电功能，那就是电源待机模式，该功能使你不必重新启动计算机就可返回工作状态。待机模式可关闭监视器和硬盘、风扇等设备，可使CPU（所以也叫做CPU睡眠状态）乃至整个系统处于低能耗状态。在你重新使用计算机时，它会迅速退出待机模式，而让桌面（包括打开的文档和程序）恢复到进入等待时的状态。
目前的CPU待机状态主要有C0、C1、C2、C3、C4等5种状态，C0状态（激活），这是CPU最大工作状态；C1状态（挂起），可以节省70%的CPU功耗，所有现代处理器都支持这一状态；C2状态（停止允许）让处理器时钟频率和I/O缓冲被停止；C3状态（深度睡眠）在多核心系统下，缓存无效，在单核心系统下，内存被关闭，但缓存仍有效；C4状态（更深度睡眠），核心电压低于1.0V，L2缓存内的数据存储将有所减少，最多可节约98%的电量，唤醒时间较慢，但不超过1秒。一般情况下，移动处理器及低功耗的处理器的C状态比普通台式机处理器的要多，多数移动版的酷睿2处理器都支持C0-C4状态，而很多桌面型酷睿2处理器仅支持C0、C1状态。
Atom最引人注意的功能就是在其Z500系列处理器中引进了新的待机模式C6，使它的功耗更低。在C6模式下，L2缓存几乎完全置空，供电电压下降到0.3V，并且处理器仅有为了唤醒功能的单元在活动。Atom可以在约100ms的时间内进入C6模式，不过不同型号的Atom处理器，支持的这种电源模式也有所不同，针对低价笔记本的Atom N270电源管理模式支持C0到C4状态，针对低价台式机的Atom N230电源管理模式也仅支持C0和C1。
当然，处理器能实现C4/C6等电源待机模式，与一项重要的技术分不开，那就是Dynamic Cache Sizing（动态缓存调整技术），作为一项新型省电机制，该技术可让处理器将电压调低至比深层休眠模式还要低的水准，更省电。可让Intel Smart Cache（智能型高速缓存技术）能根据需求或休眠的阶段时间，随时调整系统内存，以此提高系统的性能与省电效率。
其他功耗控制技术
Atom还运用了迅驰移动技术中大量成熟的降耗及控制功耗技术。比如增强型Speedstep技术是必不可少的，它能提供多种性能模式，在最低的功耗下发挥最佳的性能，通过实时动态切换功能，可根据处理器的需求在各种性能模式时切换到适合的电压与频率，从而可更好地满足应用需求。
此外，还有智能供电分布可将系统电量集中分布到处理器需要的地方，并关闭空闲的应用；移动电压定位（MVP IV）技术可根据处理器负载及活动动态降低电压，从而支持更低的散热设计功率和更小巧的外形设计；经优化的400MHz/533MHz系统总线，足以满足手持设备和超小型笔记本的性能需求；Micro-ops fusion微操作指令融合技术，在存在多个可同时执行的指令的情况下，将这些指令合成为一个指令，可提高性能与电力使用效率；结构不对称缓存设计，可以自动关闭部分缓存，从而降低功耗。
写在最后：对低功耗设备影响深远
英特尔Atom（凌动）处理器采用小外形的CPU封装、经优化的前端总线、增强的数据预取功能和增强的寄存器访问管理器，以及可傲视所有手持设备处理器的性能，Intel的影响力因此扩大到了手持设备市场。
Atom Z500的TDP功耗仅为0.65W，可使智能手机的耗能少于5W。也许有一天你会发现你的手机上装载的不再是略显单薄的Windows Mobile、Symbian系统，而是正宗的Windows XP乃至Vista的简化版本。而具备了Atom的手机也不再是单纯的手机，“电脑手机”或许将因此取代目前的“智能手机”，让手机真正强大起来。
有了Atom（凌动）处理器，未来手机、便携式导航设备和媒体播放器可为你带来更精彩的移动互联网体验。而另一方面，这种超低功耗的处理器对传统的笔记本电脑、台式机也是一种挑战。对于笔记本电脑来说，大家可以用更低廉的价格购买到外形小巧、时尚、移动性更强的笔记本电脑。而对于台式机来说，现在的Atom处理器+主板的套装已经面世，性能足以满足普通的上网、播放720P高清等方面的需求。便宜的价格，低功耗的主机，这让Atom处理器的前景非常广阔。