異質(zhì)架構(gòu)興起 應(yīng)用處理器新趨勢
電子發(fā)燒友網(wǎng)訊：根據(jù)研究機(jī)構(gòu)IMS Research的報告，在2011年規(guī)模達(dá)1110億美元的處理器市場營收中，有超過一半的比例是來自在單芯片中結(jié)合不同類型處理器核心的異質(zhì)架構(gòu)，充分顯示出異質(zhì)架構(gòu)技術(shù)在處理器市場中的重要性。
而異質(zhì)架構(gòu)趨勢的興起，可從英特爾和超微于2010年起推出整合運(yùn)算（CPU）和繪圖處理單元（GPU）的個人計算機(jī)處理器開始?，F(xiàn)在，隨著智能型手機(jī)和平板計算機(jī)的全球熱賣，此趨勢已由行動裝置的應(yīng)用處理器接棒，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)光大。
應(yīng)用處理器鎖定的不僅是快速成長的智能型行動裝置市場，在三網(wǎng)融合、云端運(yùn)算技術(shù)的推進(jìn)下，未來更是與電視接軌，搶攻三屏一云概念商機(jī)的重要關(guān)鍵元件。也因此，這塊大餅已成為蘋果、Broadcom、TI、Marvell、聯(lián)發(fā)科、高通、三星等一線半導(dǎo)體業(yè)者，甚至臺積、聯(lián)電、三星等晶圓代工廠的兵家必爭之地。
業(yè)者競逐多核心應(yīng)用處理器市場
Strategy AnalyTIcs的研究數(shù)據(jù)指出，截至目前，雙核心應(yīng)用處理器約占智能型手機(jī)銷售量的20％，主要都是用在高階機(jī)種。為進(jìn)一步擴(kuò)大商機(jī)，業(yè)者正積極將雙核心處理器朝低價智能型行動裝置發(fā)展，并同時開發(fā)更高階的四核心應(yīng)用處理器。
在今年三月的全球移動通信大會上，Nvidia、高通和海思（HiSilicon）都發(fā)表了新款四核心應(yīng)用處理器，正式宣示了行動裝置將從今年起邁向四核心時代。
接著，今年五月，三星也推出Galaxy S3智能型手機(jī)用的新款32納米Exynos 4212處理器，采用四核心Cortex-A9，與Mali-400MP GPU架構(gòu)。甚至預(yù)告說，將于兩年內(nèi)導(dǎo)入ARM的「Big.Little」設(shè)計概念，包括4顆A15和4顆A7，進(jìn)一步提升效能。
根據(jù)IEK的資料，高通、TI、三星、Nvidia和蘋果等大廠共占了高達(dá)82％的應(yīng)用處理器市場。國內(nèi)的聯(lián)發(fā)科雖有產(chǎn)品，但并不強(qiáng)勢，也已于日前推出平價手機(jī)用雙核心芯片，預(yù)計明年推出四核心產(chǎn)品。
盡管領(lǐng)先廠商積極搶進(jìn)四核心設(shè)計，但是另一方面，眾所矚目的蘋果新款iPad于三月上市時，其A5X處理器的設(shè)計概念卻是讓人跌破眼鏡的仍采用雙核心設(shè)計，反而是藉由增加GPU數(shù)量來提升效能。
GPU的重要性日漸提升
隨著行動裝置的使用者繪圖接口（GUI）分辨率已朝ReTIna （視網(wǎng)膜）發(fā)展，再加上60Hz訊框率的需求，以及手機(jī)/平板計算機(jī)將成為搭配HDTV的媒體顯示中心，這些都使繪圖功能的重要性日漸提升，這可從蘋果的設(shè)計策略得到證實。
原先業(yè)界期望新iPad會改采四核心的A6處理器，但蘋果仍維持與舊版A5處理器相同的1GHz Cortex-A9雙核心，但卻把Imagination的PowerVR繪圖核心從原來的兩顆增加為四顆。
新款A(yù)5X處理器能支持2048x1536的分辨率，各是原來iPad 2（1024x768）水平和垂直分辨率的2倍，等于是原有總畫素數(shù)的4倍。為了強(qiáng)調(diào)雙核心處理器仍能有優(yōu)異效能，蘋果甚至直接訴求其A5X比四核心的Tegra 3還優(yōu)。
不過，另一方面，根據(jù)Chipworks的拆解報告，采用三星45納米技術(shù)的A5X處理器晶粒面積為165mm2，比A5的123mm2大了不少。相較之下，Nvidia的Tegra 3，采用臺積電的40納米制程，僅有82mm2，甚至英特爾的32納米雙核心Sandy Bridge芯片也只有150mm2。
面對其它業(yè)者積極采用四核心設(shè)計，雖然現(xiàn)階段蘋果以四核心GPU的做法來滿足高分辨率需求，但業(yè)界認(rèn)為蘋果仍有可能在今年下半年推出32納米或28納米的四核心A6處理器以因應(yīng)更高的系統(tǒng)效能需求。
僅管如此，蘋果A5X處理器設(shè)計已充分顯示出GPU的重要性，同時，高通和三星也積極采用最先進(jìn)的GPU技術(shù)來增強(qiáng)處理器的顯示與播放效能。由于更佳的 GUI需要更高的畫素處理能力，不僅行動裝置如此，資通訊娛樂系統(tǒng)、后座娛樂裝置、多屏幕顯示等其它產(chǎn)品也朝此趨勢發(fā)展，因此，對消費(fèi)娛樂體驗來說，為了提供更具差異化特性，未來GPU必定將扮演日益重要的角色。
異質(zhì)架構(gòu)的未來
過去，行動GPU的效能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后桌上型計算機(jī)，但隨著市場需求興起，行動GPU的效能早已不可同日而語。根據(jù)臺積電的資料，在制程技術(shù)推動下，行動GPU 2007年時效能還不到1 GFLOPS，今年采用28納米技術(shù)，已可達(dá)到12～30 GFLOPS，明年移轉(zhuǎn)到20納米技術(shù)，更將進(jìn)一步提升到100～200 GFLOPS，是一大躍升。
在更高的繪圖效能帶動下，可以預(yù)見，未來幾年行動裝置將能享有更佳的視覺體驗。
行動GPU的演進(jìn)
而從概念上來看，GPU因為具備平行處理特性，能夠更容易擴(kuò)充效能。Imagination技術(shù)部門營銷副總裁Tony King-Smith認(rèn)為，GPU能以95％的線性度增加效能，而且不會增加撰寫應(yīng)用程序的困難，未來GPU將可能會占SoC近一半的面積。
的確，雖然從硬件規(guī)格來看，CPU核心數(shù)越多當(dāng)然就意味著效能更高。但事實上，由于CPU的序列處理特性，多核心會顯著提升應(yīng)用程序撰寫的困難度，效能提升的效益不如增加GPU來得顯著。
目前，市場上還是有許多行動軟件并未針對四核心進(jìn)行最佳化設(shè)計，大部分應(yīng)用程序還是僅用到一或兩顆核心。對此，Nvidia正與領(lǐng)先游戲業(yè)者合作，目前已有多款四核心最佳化的應(yīng)用程序上架到Google Play。預(yù)計到年底，更多的四核心軟件將能就緒。
為了真正發(fā)揮多核心CPU+GPU異質(zhì)架構(gòu)的優(yōu)勢，超微、ARM、聯(lián)發(fā)科、Imagination、TI等五家業(yè)者已共同成立HSA（異質(zhì)系統(tǒng)架構(gòu)）基金會，希望透過開放、標(biāo)準(zhǔn)化的異質(zhì)架構(gòu)編程模式，加速異質(zhì)架構(gòu)處理器的發(fā)展。這對處理器技術(shù)的技術(shù)進(jìn)展來說，是很重要的里程碑，雖然目標(biāo)不容易實現(xiàn)，但值得期待。
此外，就芯片設(shè)計的來看，多核心處理器必定會面臨存儲器帶寬和整體系統(tǒng)功率的重大瓶頸。所以，除了單芯片異質(zhì)架構(gòu)的發(fā)展，未來整合應(yīng)用處理器與存儲器的3D IC堆疊技術(shù)，因為能有效解決高效能系統(tǒng)帶來的功率挑戰(zhàn)，也會是下一代應(yīng)用處理器另一個重要趨勢，而臺積電CoWoS（芯片─晶圓─基板）技術(shù)的進(jìn)展將是觀察重點(diǎn)。