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Possible motivations for studying topological insulators are utilization of the surface state, such as transparent electrodes [4], and/or exploring exotic phenomena.

To date, one of the necessary conditions for a material to be a topological insulator is occurrence of band inversion due to strong spin-orbit interaction, and therefore topological insulators must contain heavy elements like Bi.

Indeed, the topological phase transition is observed [16, 24], and the transition point turns out to be close to provides a useful platform to study the topological surface state experimentally.

Furthermore, between the trivial and nontrivial phases, a Dirac semimetal whose 3D band structure has a Dirac-cone dispersion is considered to realize [25, 26].

In addition, Dirac semimetals whose bulk band structure shows a Dirac-like dispersion are considered to exist near the topological phase transition.

The technique shown here is also generally applicable for other chalcogenide topological insulators, and will be useful for studying topological insulators and related materials.

(6) No van der Waals gap takes place in their structure.

This can be a demerit since scanning tunneling microscope/spectroscopy cannot be applied to these systems.

DSP芯片的应用 现代数字信号处理器是执行高速数字信号处理的IC电路、它恰好适应多媒体信息化社会需求,迅速发展壮大。如今,世界电子器件市上,各种各样的DSP器件已相当丰富。大大小小封装形式的DSP器件,已广泛应用于各种产品的生产领域,而且DSP的应用领域仍在不断地扩大,发展迅速异常。 (1)数字化移动电话 数字化移动电话尽管花样繁杂,但基本上可划为两大类:高速移动电话和低速移动电话。其中,高速移动电话顾名思义是在高速移动体里使用的电话,诸如可在飞机、轮船和汽车等里自由通话的电话。虽然数字化高速移动通过标准很多,但当今普遍应用的是欧洲GSM(Global Systemfor Mobile Communication)标准。自从推出数字化蜂窝式电话机以来,现已遍布全球70多个国家广泛应用。俗称GSM标准的数字化蜂窝电话,叫作数字化大哥大,它具备国际漫游(Roaming)功能,SIMC(Subscriber Identification Module Card)给用户带来使用大哥大的方便。现正在扩展数据通信服务能力以及它与ISDN系统兼容性,例如,英国BT公司的Cellnet部已经利用GSM提供数字化数据和传真服务,于是东芝笔记本电脑也安上了数字化的大哥大。 低速移动电话就其实质而论。它是数字化无绳电话,仍然保持模拟式无绳电话的子母式结构:子机亦称为手机,可以距母机为百米左右半径内的空间里自由步行移动情况下实现通话;母机也称为基地站,可作为家庭里的留守电话,也可悬挂在商店的墙壁上,街道的电线柱上,广为分布。由统一的交换设施进行管理,实现无缝交递(Seamless Hand On)功能。这类低速移动电话式标准很多。例如,欧洲较为普遍应用的DECI(Digital European Cordless Telecommunictaion),日本、韩国、东南亚应用的PHS(Personal Handy-phone System)以及Philips和我国联合开发的DCCT(Digital China Cordless Telephone)。其中,尤以PHS和DECT制式低速移动电话发展较快,我国的DCCT由于缺乏关键性的DSP技术仍处于设计阶段。 数字化移动电话(包括高速和低速)的每个手机,都要用至少1个DSP器,因此,高速发展的数字化移动电话急需极为大量的DSP器件。 (2)数据调制解调器 从所周知,数字信号处理器的传统应用领域之一,就是调制解调器。如今,调制解调器作为联系通信与多媒体信息处理系统的纽带,日益受到重视。特别是近年来Internet热潮,方兴未艾,普通百姓在Internet上冲浪蔚然成风。利用PC机通过调制解调器经由电话线路,实现拨号连接Internet已是最简便的访问形式。由于Internet用户急剧增加,一度致使28.8Kbps的调制解调器成为市场上的脱销产品。特别是由PC机上利用浏览程序调用活动图像信息时,期望使用数据传送速度更高的调制解调器。为适应这种新需求,国际上已制订出高速(33.6Kbps)调制解调器国际标准。这就意味,在高速调制解调器里需要更高性能的DSP器件。这种33.6Kbps的调制解调器(V.34) 是为传送数据而设计的,在此基础上发展出DSVD调制解调器,它既可传送数据又可传送声音。无疑,这样一来将需要更高功能的DSP器件。 随着高性能调制解调器不断出现,似乎低速的调制解调器如像V.17(14.4Kbps)再也没有用武之地。事实上,刚刚相反,如今信息家电抬头,例如PHS母机留守电话与个人FAX一体化的产品大量上市。这就是说,V.17(14.4Kbps)型的调制解调器仍有市场。于是,各种调制解调器里要求的DSP也是多种多样的。 (3)磁盘/光盘控制器需求 随着多媒体信息化的发展,各种信息存储媒体产品都应运而生,诸如磁盘存储器、CD-ROM和DVD(Digital Versatile Disk)-ROM新产品纷纷上市。今日的磁盘驱动器HDD,存储容量已相当可观,大型HDD姑且不谈,就连普通PC机的HDD的存储容量已高在1GB以上,详见照片4。小型HDD向高密度、高存储容量和高速存取方向发展,其控制器必须具备高精度和高速响应特性,它所用的DSP性能也是今非昔比,高速DSP是必不可少的关键性器件。 日本的HDD技术不能超过美国,于是把主攻方向集中到光盘技术,在1996年日本第35届Electronics Show'96上,终于把DVD-ROM产品公布于众。而且,日本并不以此为满足,志在夺取可擦写的DVD-RAM。仅就DVD-ROM而论,单面1片12cm盘片记录4.7GB信息量,相当于直径12cm的软盘FD片3200张之多,比CD-ROM存储容量高出6倍。如此高密度的DVD-ROM,读出控制的精细程度可想而知。 HDD和光盘机的控制器里之所以必须利用高速DSP,主要是利用其高速"积和"处理能力。因为,盘片旋转控制、磁头定位控制和光盘中的激光束聚焦控制,都是采数字伺服与系统控制技术。这是现在控制技术,建立在数学模型基础之上。通过复杂的矩阵运算实现控制。没有高速运算的DSP,是绝对不行的。 (4)图形图像处理需求 DVD里应用的活动图像压缩/解压缩用MPEG2编码/译码器,同时也广泛地应用于视频点播VOD、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。在这些领域里,应用的DSP应该具备更高的处理速度和功能。而且,活动图像压缩/解压技术也日新月异,例如,DCT变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量,于是出现了对以视觉感知特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现,要求相应的高性能DSP。最近,日本各大学和高技术企业对于开发虚拟现实VR系统,投入相当力量,利用现代计算机图像学CG生成3维图形,迫切需要多个DSP并行处理系统。其中,系统里的结点DSP单元,要求采用与并行处理相适应的体系结构。 彩色静止图像压缩/解压,现在普遍应用JPEG标准,其核心算法也是离散余弦变换。JPEG编码/译码器的应用,除了数字化照像机之外,估计彩色打印机和彩色扫描器也将要应用。因此,对于普通DSP的用量,必将日益增长。 (5)汽车电子系统及其它应用领域 汽车电子系统日益兴旺发达起来,诸如装设红外线和毫米波雷达,将需用DSP进行分析。如今,汽车愈来愈多,防冲撞系统已成为研究热点。而且,利用摄像机拍摄的图像数据需要经过DSP处理,才能在驾驶系统里显示出来,供驾驶人员参考。 应用DSP的领域可以说是不胜枚举,电视会议系统里,也大量应用DSP器件。视听机器里也都应用DSP。随着科学技术的发展,将会出现许许多多的DSP新应用领域。 MMX(Multi Media e Xtension 多媒体扩展指令)指令集是Intel公司在1996年为旗下的Pentium系列处理器所开发的一项多媒体指令增强技术。MMX指令集中包括了57条多媒体指令,通过这些指令可以一次性处理多个数据,在处理结果超过实际处理能力的时候仍能够进行正常处理,如果在软件的配合下,可以得到更强的处理性能。使用MMX指令集的好处就是当时所使用的操作系统可以在不做任何改变的情况下执行MMX指令。但是,MMX指令集的问题也是比较明显的,MMX指令集不能与X86的浮点运算指令同时执行,必须做密集式的交错切换才可以正常执行,但是这样一来,就会造成整个系统运行速度的下降。 SSE是Streaming SIMD Extension(SIMD扩展指令集)的缩写,而其中SIMD的为含意为Single Istruction Multiple Data(单指令多数据),所以SSE指令集也叫单指令多数据流扩展。该指令集最先运用于Intel的Pentium III系列处理器,其实在Pentium III推出之前,Intel方面就已经泄漏过关于KNI(Katmai New Instruction)指令集的消息。这个KNI指令集也就是SSE指令集的前身,当时也有不少的媒体将该指令集称之为MMX2指令集,但是Intel方面却从没有发布有关MMX2指令集的消息。 最后在Intel推出Pentium III处理器的时候,SSE指令集也终于水落石出。SSE指令集是为提高处理器浮点性能而开发的扩展指令集,它共有70条指令,其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD浮点运算指令、12条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中的连续数据块传输指令。理论上这些指令对当时流行的图像处理、浮点运算、3D运算、多媒体处理等众多多媒体的应用能力起到全面提升的作用。SSE指令与AMD公司的3DNow! 中的绝大部分功能,只是实现的方法不同而已。SSE也向下兼容MMX指令,它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。 3DNow! 指令集最由AMD公司所推出的,该指令集应该是在SSE指令之前推出的,被广泛运用于AMD的K6、K6-2和K7系列处理器上,拥有21条扩展指令集。在整体上3DNow!

One may suspect that the gap is due to hybridization of some imperfect cleavage of the sample, but this is not likely because the gap opening is very reproducible in experiments by Sato are alternately placed at the cation sites.

The lattice constants were given in multiple papers [30–33], and the results are essentially consistent.

CPU的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集和复杂指令集,而在普通的计算机处理器基本上是使用的复杂指令集。在计算机早期的发展过程中,CPU中的指令集是没有划分类型的,而是都将各种程序需要相配合的指令集成到CPU中,但是随着科技的进步,计算机的功能也越来越强大,计算机内部的元件也越来越多,而且越来越复杂,CPU的指令也相应的变得十分复杂,而在使用过程中,并不是每一条指令都要完全被执行,在技术人员的研究过程中发现,约有80%的程序只用到了20%的指令,而一些过于冗余的指令严重影响到了计算机的工作效率,就这一现象,精简指令集的概念就被提了出来。 精简指令集RISC就是(Reduced Instruction Set Computing)的缩写,而复杂指令集CISC则是(Complex Instruction Set Computing)的缩写。它们之间的不同之处就在于RISC指令集的指令数目少,而且每条指令采用相同的字节长度,一般长度为4个字节,并且在字边界上对齐,字段位置固定,特别是操作码的位置。而CISC指令集特点就是指令数目多而且复杂,每条指令的长度也不相等。在操作上,RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器之间的操作,只以简单的Load(读取)和Sotre(存储)操作访问内存地址。因此,每条指令中访问的内存地址不会超过1个,指令访问内存的操作不会与算术操作混在一起。在功能上,RISC指令集也要比复杂指令集具有优势,精简指令集可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计,不必使用大量专用寄存器,特别是允许以硬件线路来实现指令操作,从而节约的处理器的制造成本。而采用CISC指令集的处理器是使用微程序来实现指令操作,在执行速度上不如RISC指令集。另外,RISC还加强了并行处理能力,非常适合于采用处理器的流水线、超流水线和超标量技术,从而实现指令级并行操作,提高处理器的性能。而且随着VLSI(Very Large Scale Integration超大规模集成电路)技术的发展,整个处理器的核心甚至多个处理器核心都可以集成在一个芯片上。RISC指令集的体系结构可以给设计单芯多核处理器带来很多好处,有利于处理器的性能提高。 与以往的32位X86结构相比,K8在原有的8个通用寄存器的基础上又增添了8个寄存器。这8个寄存器工作在64位下,经过64位编码的程序就可以使用到它们。AMD同时也将原有的EAX等寄存器扩展至64位的RAX。从扩充方式上看,EAX等寄存器可以看作是RAX的一个子集,系统仍旧可以完整地执行以往的32位编码程序。通用寄存器除了可高效的存储数据外,还可作为寻址时的地址指针,从而缩短指令长度和指令执行时间,加快CPU的运算处理速度,同时也给编程带来方便。单单从寄存器结构来看,X86-64较多的寄存器将会大幅度的提升处理器的性能,也会更加受到软件开发人员的喜爱。其优点是增加了处理器关于多媒体方面的处理能力,缺点是占用浮点数寄存器进行运算(64位MMX寄存器实际上就是浮点数寄存器的别名)以至于MMX指令和浮点数操作不能同时工作。为了减少在MMX和浮点数模式切换之间所消耗的时间,程序员们尽可能减少模式切换的次数,也就是说,这两种操作在应用上是互斥的。后来英特尔在此基础上发展出SSE指令集;AMD在此基础上发展出3DNow! 等更容易优化效能的新一代多媒体指令集,不过目前的处理器仍可以执行针对MMX优化的较早期软件。MMX 寄存器,称作MM0到MM7,实际上就是处理器内部80比特字长的浮点寄存器栈st(0)到st(7)的尾数部分(64比特长)的复用。由于 浮点栈寄存器的高16位未被MMX技术使用,因此这16位都置为1,因此从栈寄存器的角度看,其浮点值为Na N或Infinities,这可用于区分寄存 器是处于浮点栈状态还是MMX状态. 作为MMX寄存器都是直接访问。利用了装配数据类型(packed data type)的概念,每个MMX寄存器的64比特字长可以看作是2个32位整数、或者4个16位整数、或者8个8位整数,从而可以执行整数SIMD运算。这 对于1990年代中期的2D、3D计算的加速还是很有意义的,因为当时的计算机的图形处理器(GPU)还很不发达。但现在MMX整数SIMD运算对于图形运算来说是多余的技术了。不过MMX的饱和算术运算(saturationarithmeticoperations)对于一些数字信号处理应用还是有用的。继 MMX技术之后,Intel又于1999年在Pentium-III处理器上推出SSE技术,引入了新的128比特宽的寄存器集 (register file),称作XMM0到XMM7。这些XMM寄存器用于4个单精度浮点数运算的SIMD执行,并可以与MMX整数运算或x87浮点运算混合执行。 2001年在Pentium 4上引入了SSE2技术,进一步扩展了指令集,使得XMM寄存器上可以执行8/16/32位宽的整数SIMD运算或双精度浮点数的SIMD运算。这使得 SIMD技术基本完善。SSE2是 Intel在Pentium 4处理器的最初版本中引入的,但是AMD后来在Opteron 和Athlon64处理器中也加入了SSE2的支持。SSE2指令集添加了对64位双精度浮点数的支持,以及对整型数据的支持,也就是说这个指令集中所有的MMX指令都是多余的了,同时也避免了占用浮点数寄存器。这个指令集还增加了对CPU快取的控制指令。AMD对它的扩展增加了8个XMM寄存器,但是需要切换到64位 模式(x86-64/AMD64)才可以使用这些寄存器。Intel后来在其Intel 64架构中也增加了对x86-64的支持。SSE5是AMD为了打破Intel垄断在处理器指令集的独霸地位所提出的,SSE5初期规划将加入超过100条新指令,其中最引人注目的就是三操作数指令(3-Operand Instructions)及熔合乘法累积(Fused Multiply Accumulate)。其中,三操作数指令让处理器可将一个数学或逻辑函式库,套用到操作数或输入数据。藉由增加操作数的数量,一个 x86 指令能处理二至三笔数据, SSE5 允许将多个简单指令汇整成一个指令,达到更有效率的指令处理模式。提升为三运算指令的运算能力,是少数RISC架构 的水平。熔合乘法累积让允许建立新的指令,有效率地执行各种复杂的运算。熔合乘法累积可结合乘法与加法运算,透过单一指令执行多笔重复计算。透过简化程序码,让系统能迅速执行绘图着色、快速相片着色、音场音效,以及复杂向量演算等效能密集的应用作业。目前AMD已放弃下一代Bulldozer核心内建SSE5指令集,改内建Intel授权SSE4系列指令集。为了解决以上这两个问题,AMD公司于1998年推出了包含21条指令的3DNow! 做了优化,AMD处理器的游戏性能第一次超过Intel,这大大提升了AMD在消费者心目中的地位。K6-2和随后的K6-III成为市场上的热门货。1999年后,随着主流操作系统和软件都开始支持SSE并为SSE优化,AMD在其2000年发布的代号为“Thunderbird”的Athlon处理器中添加了对SSE的完全支持(“经典”的Athlon或K7只支持SSE中与MMX有关的部分,AMD称之为“扩展MMX”即Extended MMX)。随后,AMD致力于AMD64架构的开发;在SIMD指令集方面,AMD跟随Intel,为自己的处理器添加SSE2和SSE3支持,而不再改进3DNow! 。1.什么是DSP芯片 DSP芯片,也称数字信号处理器,是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,广泛采用流水线操作,提供特殊的DSP 指令,可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求,DSP芯片一般具有如下的一些主要特点: (1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。 (2) 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据。 (3) 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 (4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 (5) 快速的中断处理和硬件I/O支持。 (6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 (7) 可以并行执行多个操作。 (8) 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 与通用微处理器相比,DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。2.

指令集,并在其K6-2处理器中实现。K6-2是 第一个能执行浮点SIMD指令的x86处理器,也是第一个支持水平浮点寄存器模型的x86处理器。借助3DNow! ,K6-2实现了x86处理器上最快的浮点单元,在每个时钟周期内最多可得到4个单精度浮点数结果,是传统x87协处理器的4倍。许多游戏厂商为3DNow! DSP芯片的发展 世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811,1979年美国Iintel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。 1980年。日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司,它于1982年推出了浮点DSP芯片。1983年,日本的Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns ,且具有双内部总线,从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。 在这么多的DSP芯片种类中,最成功的是美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments,简称TI)的一系列产品。TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等,之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS32C40/C44,第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。 自1980年以来,DSP芯片得到了突飞猛进的发展,DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从80年代初的400ns(如TMS32010)降低到40ns(如TMS32C40),处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下,片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看,1980年采用4μ的N沟道MOS工艺,而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加。此外,DSP芯片的发展,是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 3.

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