Субноутбук изнутри

Константин Череповский
«Экспресс-Электроника»#7(116)/2004

Если предложить неискушенному пользователю сделать выбор между настольным и портативным ПК, он наверняка предпочтет мобильное устройство. Согласитесь, в эстетике ноутбуков есть что-то завораживающее. Но речь не о дизайне, — сколь безупречным бы он ни был, «начинка» портативных систем никогда не оставит равнодушными тех, кто интересуется информационными технологиями.

Перед тем как начать разговор, отметим, что отнюдь не производительность является главной характеристикой сверхпортативных ноутбуков. Такими устройствами в основном пользуются люди, работающие, как говорится, на ходу, и комфорт при обращении с ноутбуком для них очень важен. В любом случае, производительность современных представителей данного класса сегодня весьма велика, особенно если исходить из рассуждений, что процессор с тактовой частотой 1 ГГц может удовлетворить запросы большинства бизнес-пользователей. Более того, такого уровня производительности достаточно и для игровых приложений, которые не предъявляют строгих требований к видеоподсистеме, ведь последняя почти во всех сверхпоративных ноутбуках использует архитектуру разделяемой оперативной памяти (UMA). Что не мешает сверхпортативному ПК (при наличии богатых мультимедийных возможностей) стать еще и центром домашних развлечений.

В результате ключевыми факторами становятся малый вес и габариты, а также возможность длительной автономной работы. В свою очередь, это требует от компонентов компьютера большой компактности, низкого энергопотребления и малого тепловыделения. А потому при проектировании сверхпортативных ноутбуков используются специализированные комплектующие.

Пожалуй, все согласятся с тем, что самым «горячим» компонентом современного компьютера является процессор. Поэтому именно способность работать при малом энергопотреблении и, как следствие, с небольшой (в идеале — пассивной) системой охлаждения и определяет возможность использования его в портативных системах. Термодинамические характеристики процессоров принято обозначать показателем TDP (Thermal Design Power), представляющим собой показатель рассеиваемой мощности в режиме performance mode. Для того чтобы понять разницу между «настольными» и «мобильными» процессорами достаточно привести следующие цифры. TDP процессора Intel Pentium 4 на базе ядра Prescott составляет 103 Вт (!), тогда как TDP Pentium 4-M на базе ядра Northwood — 35 Вт. Параметр рассеиваемой мощности процессора Pentium M (Banias) со стандартным напряжением питания ядра (1,35 В) находится на уровне 24,5 Вт для старших моделей и 22 Вт — для младших (1,3 ГГц/1,4 ГГц). TDP новых процессоров Pentium M с ядром Dothan еще более впечатляющий: он составляет всего 21 Вт. Однако и этого показателя для корпуса толщиной 17-25 мм, который характерен большинству современных сверхпортативных ноутбуков, слишком много. Дело в том, что основной способ переноса тепла в твердых телах — теплопроводность, которая описывается законом Фурье:

d²Qt = - λ ּgradt ּ dτ ּdF.

Здесь Q – тепловой поток или количество теплоты, передаваемой в единицу времени [Вт]; Qt — количество теплоты [Дж]; τ — время, [сек]; F — площадь поверхности теплообмена, [м²]; λ — коэффициент теплопроводности материала, который зависит от физический свойств материала, его структуры и термических параметров [Вт/м ּК]. Знак «минус» говорит о том, что тепловой поток и градиент температуры (grad t) взаимно противоположны.

Таким образом, если взять ноутбук, использующий, скажем, процессор Pentium 4-M с ядром Northwood, который выделяет теплоту на уровне 35 Вт и заменить в нем процессор на Pentium M с ядром Dothan, обладающий TDP 21 Вт, то при прочих равных условиях (одинаковый материал системы охлаждения, равная сила воздушного потока вентилятора и температура окружающей среды), он потребует в несколько раз более мощную и, как следствие, тяжелую систему охлаждения. Ведь если переписать закон Фурье с учетом всего ряда принятых допущений, он примет вид: Q = q ּF, где q – плотность теплового потока (Вт/м²). Как видно, площадь, а значит, масса и объем рассеивающей поверхности теплообмена (в нашем случае радиатора) находится в прямой зависимости от выделяемого процессором количества теплоты. Как показывает современная практика, для того чтобы создать полноценный ноутбук массой около 1 кг, необходимо применить процессор с TDP порядка 7-12 Вт или менее вкупе с эффективной легкосплавной системой охлаждения.

Сегодня на рынке процессоров есть всего три решения, обладающие столь низким показателем рассеиваемой мощности. Подавляющая часть рынка принадлежит решениям на базе низковольтных (Low Voltage) и сверхнизковольтных (Ultra Low Voltage) процессоров Pentium M (Banias) производства компании Intel. Оставшуюся долю рынка делят между собой решения компаний Transmeta и VIA Technologies. Решения компании AMD, позиционируемые как низковольтные (Athlon XP-M с рейтингами 1500-2100+), имеют показатель TDP порядка 25 Вт, а потому не могут быть пригодны для сверхпортативных систем. Самым компактным ноутбуком, который использовал низковольтный Athlon XP-M 1500+, стал Sharp Mebius Muramasa MV1. Впрочем, его трудно признать субноутбуком из-за большой массы – 1,96 кг, против 0,8-1,3 кг у конкурирующих систем.

Но давайте рассмотрим низковольтные решения подробнее.

Хотя уровень энергопотребления и производительность базового процессора линейки Pentium M существенно отличается от ULV- и LV-версий Pentium M (Banias), из материалов Intel следует, что эти чипы имеют одинаковое ядро. Отличия между ними заключаются в различных уровнях номинальных частот функционирования (базовый вариант: 1,70/1,60/1,50/1,40/1,30 ГГц; Low Voltage: 1,20/1,10 ГГц; Ultra Low Voltage: 1000/900 МГц), количестве ступеней пониженного энергопотребления (от трех до шести), а также показателях номинального предельного напряжения (1,484 В (1,388 В)) для базового варианта, 1,18 В (LV) и 1,004 В (ULV) и значения TDP, которые для ULV-версии составляет 10 Вт, а для Low Voltage Pentium M — 12 Вт. Отметим, что минимальная тактовая частота всех чипов в режиме минимального энергопотребления составляет примерно 600 МГц и достигается лишь в случае прохождения предварительных номинальных «ступеней».

В остальном Intel Pentium M использует микроархитектуру, оптимизированную для мобильных ПК, которая отличается более высокой производительностью и уменьшенным энергопотреблением и позволяет увеличить время работы от батарей. Среди особенностей этой микроархитектуры: наслоение микроопераций для ускорения их выполнения и снижения энергопотребления (Micro-Ops Fusion); усовершенствованная технология прогнозирования ветвлений, позволяющая снизить общую величину задержек для повышения общей производительности при уменьшенном потреблении энергии (Advanced Instruction Prediction); выделенный диспетчер стека, уменьшающий общее количество микроопераций и тем самым увеличивающий быстродействие (Dedicated Stack Manager). Intel Pentium M производится с использованием 0,13-мк технологии, содержит 77 млн транзисторов и оснащен оптимизированной по энергопотреблению системной шиной с частотой 400 МГц, энергоэкономичным кэшем уровня 2 объемом 1 Мбайт с поддержкой отключения неиспользуемых блоков, а также специальными функциями для снижения общего энергопотребления.

Логическая «обвязка» платформы Intel Centrino подстать процессору. Особого упоминания заслуживает тот факт, что семейство чипсетов Intel 855, ранее включавшее лишь два набора микросхем: Intel 855PM, рассчитанного на работу с внешним видеоадаптером, и Intel 855GM со встроенным графическим ядром Intel Extreme Graphics 2, недавно дополнилось модификацией Intel 855GME, поддерживающей память стандарта DDR333. Кроме того, новинка имеет еще и технологию управления задней подсветкой панели дисплея — Display Power Saving Technology, которая, по заявлению разработчика, позволяет снизить уровень энергопотребления на 25% с минимальными изменениями в визуальном восприятии. Еще один усовершенствованный элемент платформы Intel Centrino – беспроводной интерфейс, который получит широкое распространение на рынке с начала III квартала. Если ранее интерфейс Intel PRO/Wireless 2100 (2100А), отвечал спецификациям стандарта IEEE 802.11b (802.11a) дискретно, то новый его вариант – 2200BG (его поставки ведутся с начала 2004 года), поддерживает стандарты 802.11b/g.

Поражает стремительность, с которой ULV- и LV-процессоры Intel Pentium M завоевывают рынок. Сейчас с их помощью создаются самые разнообразные сверхпортативные устройства. Взять хотя бы ноутбук компании Sony – Vayo Bio note 505 Extreme (PCG-X505/P), бесспорно, самый компактный ноутбук на сегодня. Он выполнен в легком и прочном корпусе из магниевого сплава темно-синего цвета. Столь малых габаритов и веса (259х208х9,7-21 мм, 825 г) удалось добиться при помощи "безвентиляторной" системы охлаждения, а также "ламинированием" корпуса материалом с добавками углерода, что позволило снизить вес, сохранив прочность. Vayo PCG-X505/P создан на чипсете Intel 855GM со встроенным графическим контроллером и оснащен 10,4-дюймовым дисплеем с разрешением XGA, ULV-процессором Pentium M с тактовой частотой 1,0 ГГц, оперативной памятью объемом 512 Мбайт и 1,8-дюймовым жестким диском на 20 Гбайт. Субноутбук имеет стандартный набор интерфейсов. И хотя данная модель лишена встроенного контроллера беспроводной сети, в комплект поставки входит контроллер 802.11b/g, выполненный в форм-факторе PC-Card. Заявленное время автономной работы от стандартного ионно-литиевого аккумулятора составляет от 2,5 до 4 часов — среднее значение для устройств данного класса.

Вариант, предназначенный для более широкого круга потребителей, предлагает компания Samsung. Ее портативный ноутбук Q20, о котором мы уже рассказывали, имеет габариты 19х273х234 мм и вес 1,3 кг. В нем используется процессор LV Pentium M 1,1 ГГц либо 1,2 ГГц. Что касается остальных характеристик, они ничем не отличаются от прочих ноутбуков на базе Centrino с интегрированным графическим решением (чипсет i855GM), за исключением, пожалуй, достаточно длинного списка поддерживаемых расширений даже без использования док-станции. Стоит также отметить, что ноутбук облачен в прочный магниевый корпус. У Q20 есть 12,1-дюймовый дисплей, выполненный по технологии Wise View, которая характеризуется низким энергопотреблением при неплохом качестве изображения.

Не менее интересно решение компании VIA. Микропроцессор Antaur, представленный около года назад, основан на архитектуре Nehemiah, впервые опробованной на семействе процессоров C3, имеет тактовую частоту 1 ГГц и характеризуется TDP на уровне всего 11 Вт. В стремлении создать настоящий «мобильный» процессор, VIA уделила внимание и другим факторам. Так, в Antaur применена новая технология PowerSave 2.0, которая, по заявлению производителя, сокращает энергозатраты до 50%. В остальном VIA Antaur достаточно стандартен. Он снабжен 64 кбайт кэша L2, сопроцессором для операций с плавающей точкой; поддерживает набор инструкций SSE и технологию PadLock Data Encryption (аппаратное шифрование данных).

Официальный набор логики для Antaur – VIA UniChrome CLE266, который поддерживает DDR266 SDRAM, технологию VIA Vinyl Audio, имеет встроенный MPEG-2 декодер, а также порты USB 2.0, Ethernet 10/100 и таким образом становится полноценным решением для современного субноутбука. Хотя никто из ведущих производителей компьютерной техники не взялся конструировать ноутбуки на основе VIA Antaur, решения на его базе, в том числе и в России, представлены широко. Взять хотя бы ультрапортативный ноутбук MaxSelect TravelBook TT, чей вес составляет 1,3 кг. По утверждению изготовителя, производительность TravelBook TT, построенного на процессоре VIA Antaur с тактовой частотой 1 ГГц, достаточна для выполнения большинства мультимедийных приложений. Поскольку процессор поддерживает технологию аппаратного криптографирования данных, можно эффективно выполнять соответствующие вычисления на процессоре с относительно низкой тактовой частотой. Объем предустановленной оперативной памяти — 256 Мбайт при возможности расширения до 768 Мбайт, чего вполне достаточно для приложений, актуальных для мобильного пользователя. В стандартной комплектации объем винчестера равен 20 Гбайт, но опять же возможна установка накопителя большего объема – до 80 Гбайт. Графическая система ноутбука – S3 Twister/16 Мбайт – выводит изображение на дисплей с диагональю 12,1 дюйма и разрешением 1024х768. Интерфейсная часть TravelBook TT типична для современной модели. Стандартная аккумуляторная батарея обеспечивает до 2,5 часа автономной работы (можно опционально приобрести внешнюю аккумуляторную батарею, позволяющую по времени работы превзойти ноутбуки на Centrino). Отдельного внимания заслуживает стоимость данного ноутбука, в базовой комплектации не превышающая $700.

Третье решение для сверхпортативных ноутбуков – процессор Transmeta Efficeon. Его последние версии индексы TM8600 и TM8620. Вообще, все процессоры Transmeta основаны на VLIW-архитектуре (Very Long Instruction Word). Они имеют набор собственных внутренних инструкций, при помощи которых эмулируется практически любой набор команд. Для этого в процессор встраивается специальная прошивка (code-morphing software), представляющая сложный компилятор. Такая архитектура позволяет добиться совместимости с процессорами х86-архитектуры при очень низком энергопотреблении. Например, Efficeon TM8600 поддерживает набор 256-битных VLIW-инструкций и способен выполнять до восьми команд за такт, рассеивая при этом всего 7 Вт (!) теплоты. Процессор содержит 192 кбайт L1-кэша (64 кбайт под данные и 128 кбайт под инструкции). Имеется также L2-кэш объемом 1 Мбайт. К тому же в чипе прошита новая версия морфингового ПО – Efficeon Code Morphing Software, что обеспечивает полную совместимость с современными приложениями для платформы x86 (включая поддержку наборов команд MMX, SSE и SSE2). Наиболее интересным в новой архитектуре является то, что непосредственно на кристалл процессора интегрированы элементы микросхемы северного моста, в том числе интерфейсы AGP 4x и DDR400, а также шина LPC (Low Pin Count) для обмена данными с флэш-памятью. Модель Efficeon TM8600 выполняется с нормами 0,13 мкм, и имеет весьма компактные габариты – 29х29 мм. Тактовая частота Efficeon TM8600 составляет 1-1,2 ГГц.

Efficeon TM8620 аналогичен TM8600, единственное отличие — размер его корпуса составляет всего 21х21 мм, то есть на 46% меньше. Кроме того, по заявлению производителя, новый чип не требует активного охлаждения. Тактовая частота Efficeon TM8620 — 900-1100 МГц.

Если говорить о наборах логики для проектирования систем на базе процессоров линейки Efficeon, наибольшего внимания заслуживает решение компании NVIDIA — nForce3 Go 120, поскольку этот южный мост поддерживает технологии энергосбережения NVIDIA PowerMizer и Transmeta LongRun. В нем заявлена поддержка AGP 4x, Ethernet 10/100, Parallel ATA, USB 2.0 (шесть портов), шестиканального программного звука. Другое решение – чипсет ALi/ULi M1563M — более экономично и, возможно, поэтому используется во многих устройствах на базе Efficeon. Например, в очень удачном, на наш взгляд, ноутбуке на базе Efficeon 8600 – Sharp Muramasa PC-MM2-5NE. Этот субноутбук оснащен 256 Мбайт оперативной памяти, снабжен 10,4-дюймовым ЖК-дисплеем с разрешением XGA, жестким диском 20 Гбайт, графической подсистемой ATI Mobility Radeon и адаптером 802.11 b/g. Вес ноутбука — 910 г, толщина — от 15,6 до 19,6 мм. Длина и ширина — 251х296 мм. Любопытная особенность этой модели в том, что она снабжена оригинальным переключателем, имеющим два положения - Normal mode ("обычный режим") и Mobile mode ("мобильный режим"). При переключении в "мобильный режим" снижается яркость дисплея и тактовая частота процессора, благодаря чему, как утверждают авторы изделия, время автономной работы увеличивается на 40%. Заявленное время автономной работы субноутбука от стандартной ионно-литиевой батареи около 3 часов, от батареи средней емкости — до 6 часов, от батареи повышенной емкости — до 11 часов.

И другие компоненты…

Вслед за процессором, который как мы уже выяснили, потребляет в среднем 10 Вт, наиболее «прожорливыми» потребителями электроэнергии ноутбука являются жесткие диски, состоящие из большого числа электромеханических компонентов и ЖК-дисплеи, содержащие лампы подсветки. К тому же указанные компоненты еще и самые тяжелые.

Взять хотя бы линейку ЖК-модулей Kangaroo производства Toshiba Matsushita Display Technology для сверхпортативных ноутбуков, которая используется сегодня многими ведущими производителями. В таблице 1 представлены основные технические характеристики данных решений. Как видно, средняя масса ЖК-матриц, выполненных по технологии предотвращения инверсии цвета (Anti-Color Inversion Technology, ACIT), используемой для увеличения угла обзора и обеспечения симметричности углов обзора по четырем направлениям и управляющих ими блоков, колеблется в пределах 195-315 г, тогда как энергопотребление этих компонентов может достигать 4,8 Вт.

Новое слово в области создания ЖК-панелей для ноутбуков принадлежит компании Toshiba America Electronic Components. Речь идет о модуле с диагональю 12,1 дюйма и разрешением 1280x768. От аналогичных разработок модель LTD121EX1S отличается тем, что производитель постарался уменьшить его вес за счет сокращения габаритов стекла, ведь обычно 40% веса дисплея приходится как раз на стеклянную подложку. Толщина этого компонента в дисплее LTD121EX1S уменьшена с 0,5 до 0,3 мм, благодаря чему и достигнуто 40%-е сокращение массы без ущерба производительности. Кроме того, в LTD121EX1S переработана система подсветки и использована технология LTPS – для увеличения яркости дисплея и сокращения количества периферийных компонентов. В итоге, потребляемая мощность этого дисплейного модуля составляет 4,8 Вт. Его стандартная яркость – 250 нит, внешние размеры – 275x173,5x5,2 мм, а вес снижен до 250 г. Количество передаваемых цветов – 260 тыс. По мнению экспертов, ЖК-панели такого типа станут в ближайшем будущем стандартом для сверхпортативных ноутбуков.

Что касается накопителей, наиболее распространенным решением являются жесткие диски форм-фактора 2,5 дюйма. Впрочем, если учесть что их высота (см. табл. 2) составляет 9,5 мм, говорить о снижении толщины ноутбуков до 19 мм и менее, не приходится. Ведь в нижней створке ноутбука расположены еще и материнская плата, и клавиатура, уменьшение толщины которых не возможно. Именно поэтому все большую популярность сегодня приобретают 1,8-дюймовые жесткие диски, которые помимо более выгодных габаритов и веса, имеют сниженное энергопотребление. Самым популярным решением среди производителей портативной техники, в частности субноутбуков, является 1,8-дюймовый накопитель компании Toshiba Storage Device Division – MK2004GAL — емкостью 20 Гбайт (1 пластина) и MK4004GAH – 40 Гбайт (2 пластины), с габаритами 54х78,5х5/8 мм и весом 51/62 г соответственно. Они оборудованы буфером объемом 2 Мбайт, а частота вращения их шпинделя составляет 4200 об/мин. Заявленное среднее время доступа – 15 мс. Напомним, вся серия 1,8-дюймовых жестких дисков Toshiba включает продукты модели 5, 10, 15, 20, 30 и 40 Гбайт, причем нормы энергопотребления данных устройств почти вдвое меньше, чем у 2,5-дюймовых аналогов.

Яркий пример ноутбука с 1,8-дюймовым накопителем – IBM ThinkPad X40. Применение мелкогабаритного винчестера в этом компьютере дало возможность реализовать систему автоматической защиты жестких дисков. По своему принципу действия Active Protection System в чем-то аналогична автомобильным подушкам безопасности: при достижении определенного ускорения, головки чтения/записи автоматически переводятся в парковочное положение до тех пор, пока компьютер вновь не будет возвращен в "состояние покоя". Благодаря этому предотвращается выход винчестера из строя и потеря данных. В остальном ThinkPad X40 — типичный представитель класса сверхпортативных ноутбуков. ThinkPad X40 выполнен в легком прочном корпусе из магниевого сплава, привычного для продуктов IBM дизайна. Габаритные размеры ноутбука составляют 268х211х26,9 мм, вес около 1,24 кг. По сравнению с предыдущей моделью данной серии, ThinkPad X31, размеры новинки меньше на 20%, а вес — на 400 г. Рекомендуемая цена базовой модели около $1776, а модификации со встроенным контроллером IEEE 802.11b – $1822.

Благодаря еще одному типу компонентов – 9,5-мм оптическим приводам формата UltraBay Slim — удалось создавать субноутбуки со встроенными оптическими дисководами. Например, представленный на CeBIT ‘2004 компанией JVC сверхпортативный компьютер MP-XV841 на платформе Intel Centrino как раз является таким устройством. Модель комплектуется ЖК-дисплеем с диагональю 8,9 дюйма, контроллером 802.11b/g, UltraBay Slim-приводом DVD-ROM/CD-RW и слотом для флэш-карт формата Secure Digital. Ввес модели составляет всего 1,5 кг а размеры — 235x43,2x214 мм.

Задел на будущее

Как видно, именно процессор, к сожалению, остается самым «прожорливым» элементом современного ноутбука с точки зрения электроэнергии. Почему к сожалению? Дело в том, что по некоторым данным успех процессоров Pentium M с ядром Dothan, чей TDP уменьшился по сравнению с предшественником, скорее всего больше не повториться. Запланированные уже на IV квартал 2004 года чипы Dothan с поддержкой 533 МГц системной шины под набор системной логики Alviso, будут обладать тепловыделением на уровне 30 Вт. Так, у 2,13-ГГц чипа Pentium M с ядром Dothan, выпуск которого запланирован на конец 2004 года, TDP достигнет 27 Вт. Об энергетических характеристиках следующего поколения мобильных процессоров Intel на ядре Jonah (их появление ожидается во второй половине 2005 года), мы не говорим. Если наметившаяся тенденция сохранится, то наследник ядра Dothan получит TDP на уровне 45 Вт. В таком случае, размышлять о росте производительности и уменьшении габаритов ноутбуков не имеет особого смысла. Придется выбрать что-то одно.

Данные о низковольтных и сверхнизковольтных версиях Pentium M с ядром Dothan более утешительны. Как уже отмечалось, нынешние чипы LV и ULV Pentium M обладают TDP соответственно 12 Вт и 10 Вт. Ожидаемый в скором времени анонс ядра Dothan в сфере низковольтных решений позволит снизить эти показатели соответственно до 7 Вт и 5 Вт. Однако грядущий переход на поддержку системной шины с частотой 533 МГц, безусловно, вновь поднимет энергопотребление чипов. Впрочем, насколько можно судить по имеющейся информации, ULV-версия Pentium M на ядре Dothan с поддержкой FSB 533 МГц к выпуску пока не планируется. Возможно даже, ядро Jonah в ULV-варианте будет поддерживать системную шину 400 МГц. Впрочем, нужно ли в таком случае говорить о сбалансированном решении? Едва ли. Ведь узкий канал системной шины станет для нового поколения процессоров своего рода бутылочным горлышком, нивелирующим все их преимущества.

В этом свете весьма выгодно выглядят перспективы конкурентных решений. Как известно, во втором полугодии, когда Fujitsu освоит производство чипа Efficeon с нормами 90 нм, Transmeta обещает выпустить новое поколение Efficeon с частотой 2 ГГц, обладающих TDP 20 Вт, а 1,8-ГГц версия и вовсе будет рассеивать не более 12 Вт. Необходимо сказать, что в подобные заявления нельзя не поверить, ведь на проходившей недавно выставке Computex ‘2004 компания Transmeta демонстрировала экспериментальный чип с тактовой частотой 1,6 ГГц, а его TDP находился на уровне 7 Вт. В итоге, в сочетании с достаточно удачной технологией энергосбережения LongRun 2, такие процессоры выглядят весьма заманчиво для производителей ноутбуков. Вполне возможно, при соблюдении заявленных сроков выпуска, объемов поставок и обеспечении вторым поколением чипов Efficeon достаточного уровня производительности, Transmeta наконец-то сможет стать значимым игроком в сегменте мобильных процессоров, предлагая свои чипы всем ведущим участникам рынка. Словом, вполне вероятно, нас ждет новый поворот событий на рынке сверхпортативной компьютерной техники.