智慧型手機處理器進入「多核」時代

智慧型手機處理器進入「多核」時代


智慧型手機的技術限制

手機內晶片的運算能力為什麼以等比級數的速度成長？這與過去幾年智慧型手機銷售量的快速上升脫不了關係。過去智慧型手機(Smart Phone)以已開發國家為全球主要市場，用戶則多為商務人士。但由於近幾年智慧型手機功能不斷推陳出新，加上價格日趨降低至一般消費者可接受範圍，因此市場呈現大幅成長的態勢。

展望未來，隨著用戶增多、功能加強等因素帶動下，預估至2010年智慧型手機市場占有率可望達到全球手機出貨量的21%，在全球每年近十四億支的手機市場中約占三億支的出貨量、可謂前景可期。2007年iPhone上市後將這個市場推向另一個層次：擅長消費性電子產品的蘋果公司讓智慧型手機從過去僅為工程師或高級主管的辦公設備搖身一變為時尚的代名詞。面對如此高度成長的市場，「如何持續拉抬自家智慧型手機產品的市佔率」成為各廠商關注的焦點。Apple iPhone高度整合各種功能，不僅限於一般手機使用，最重要的是整合音樂播放、行動網路瀏覽與收發電子郵件功能，其主要特徵不但成為智慧型手機新標準，也影響整個可攜式行動多媒體產業。

▲隨著對功能需求越來越高，手機的設計挑戰也越來越大

面對競爭對手Apple設立了如此高的門檻，其他廠商也極力思索新應用並將新技術與新應用加入智慧型手機中以吸引消費者。包括全球衛星定位系統(GPS)/輔助全球衛星定位系統(AGPS)、高速封包存取(HSPA)/長程演進計畫(LTE、另稱4G網路)、非授權行動接取(UMA)、行動電視(DVB-H、MediaFLO)等都成為消費者耳熟能詳的名詞。在功能只會更多不會更少的情況下，智慧型手機設計成為消費電子產業最高難度的挑戰！要將超過數十項功能（光是無線信號天線就有5種：2G/3G、藍牙、GPS、WiFi）整合到一個尺寸比手掌大不了多少、重量約150公克的機身內，操作畫面要盡量華麗、待機時間還要越長越好，售價卻要越來越低（以增加毛利率和銷售數量）。不論是整機製造商或是零組件供應商都為此絞盡腦汁，而有「智慧型手機心臟」之稱的手機晶片更肩負了完成指定運算任務的關鍵角色。



▲擅長消費性電子產品的蘋果公司讓智慧型手機從過去僅為工程師或高級主管的辦公設備搖身一變為時尚的代名詞


多核晶片將成為潮流

為了使智慧型手機有足夠的運算能力以運行消費者所渴求的大量應用軟體和功能，生產手機用晶片的廠商開始用兩塊石頭來打死一只鳥：讓每顆晶片上的微處理器數量增加一倍，此技術的突破與普及將使下一代智能手機的性能可與目前的小筆電、甚至筆記本電腦不相上下。多核晶片的出現代表使以往的性能及現有望突破，消費者可用手機進行越來越多過去只有小筆電或低端筆記本電腦才能完成的任務。這個趨勢目前已經出現：日本市場上由手機產生的網路數據流量已經超過電腦，也有越來越多用戶使用手機觀看網路電視、透過即時通信工具聯絡朋友或更新自己在社交網站（如Facebook）的信息。



▲要將超過數十項功能整合到比手掌大不了多少的尺寸，智慧型手機設計成為消費電子產業最高難度的挑戰！

根據筆者過去與手機研發人員的交流，目前智慧型手機設計時主要遇到的技術瓶頸包括不同無線技術的干擾、功率消耗與成本控制等，這也是頂級國際廠商與中國山寨廠商最大的差距所在。智慧手機內的無線通訊技術多達6-7種之多，如何解決干擾的問題與提升核心處理器效能，加上多功能導致智慧手機耗電量高，待機時間短的問題，這些都要依賴晶片廠商克服。目前的主流架構是用兩個或更多處理器來分擔通信與應用任務：基頻處理器(Baseband Processor)負責數位與類比通信信號的轉換，而應用處理器(Application Processor)負責作業系統與其他應用程式的運算工作。使用多核技術的晶片可提高運算速度20%至30%，手機電池的待機時間則可延長20%至30%。

雖然晶片的耗能效率和性能不斷改進，但每一代晶片的進步卻在縮小。這個瓶頸從近幾年的電腦處理器演進趨勢就可看出。受功率束縛、產品開發和物理學的限制，電腦處理器廠商如Intel與AMD很早就朝向多核晶片方向發展，如今手機晶片廠也從善如流。包括德州儀器公司(Texas Instruments Inc.)、易立信(Telefon AB L.M. Ericsson)和意法半導體(STMicroelectronics NV)各持一半股份的ST-Ericsson等主要手機晶片廠商近期都不約而通宣布其多核晶片產品研發計畫。



▲讓每顆晶片上的微處理器數量增加一倍，此技術的突破與普及將使下一代智能手機的性能可與目前的小筆電、甚至筆記本電腦不相上下


剖析市場主流晶片特性

提到手機用處理器，我們絕對不能錯過介紹ARM（全名為Advanced RISC Machines）這個既是一家公司的名稱，也是對一類微處理器的通稱，還是一種晶片技術的名字！1991年ARM公司成立於英國劍橋，主要出售晶片設計技術的授權，可謂是一個只有智慧財產權而沒有生產工廠的「腦力公司」。目前採用ARM專利（IP）所設計的微處理器已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品領域，更佔據了32位元RISC微處理器75％以上的市場。ARM作為供應商本身不直接從事晶片生產，靠轉讓設計許可其他公司生產各具特色的晶片來獲利。前述的世界各大半導體生產商都從ARM公司購買專利之後推出自己的產品。不論是你家中的電視選台器、WiFi無線網路路由器還是你口袋中的iPod、數位相機及智慧型手機，它們都搭載ARM授權生產的處理器。採用ARM架構的產品都有超低耗能（與超強待機）的特色，這是其他電腦用晶片產品無法望其項背的。未來你還能看到ARM架構的小筆電CPU、如此一來小筆電將可待機十數小時甚至數十小時以上。



▲手持式設備對高性能處理器的需求非常迫切


ARM架構的產品家族十分龐大，目前常見的有ARM 7、9、10與目前的11系列。ARM 7晶片產品的運算速度範圍在20MHz-133MHz，而ARM 9晶片產品的運算速度在100MHz-233MHz。現有的主流產品多使用ARM11架構，並已在許多手機產品上服務消費者。我們以德州儀器的OMAP 2420這顆OMAP 2系列的代表作為例，它是德州儀器嘗試「多內核晶片」的第一步。晶片內包含了330MHz的ARM 11 RISC處理器、220 MHz的TI C55 DSP數位處理晶片、以及內含ARM7的影像處理器等，整顆晶片可控制週邊超過60種以上的功能。由於多個子處理器分工合作，OMAP 2420的3D圖形性能比前身OMAP1510/1710晶片（使用於Nokia 6630/ 6680/ E50/ E61/ E70等機型）提高了40到50倍，影像解碼性能也大幅提昇。這顆晶片在目前的Nokia主流產品上擔當重任：出現於Nokia 6120/ N78/ N93/ N95/ N96/ E63/ E71等機種作為應用處理器。由於OMAP 2420取得了輝煌的成功，德州儀器決定下一代手機晶片設計根據應用需求支援盡可能多的內核。2010年起我們將見到應用處理器晶片內有雙核或多核處理器，而不僅僅只是以影像或DSP晶片搭配主處理核心的現行架構。



▲OMAP2420晶片存在於目前許多主流Nokia機種內


德州儀器的最新產品：OMAP 3系列晶片目前已經商用化，新處理器核心為速度高達800 MHz的超純量ARM Cortex-A8處理器，優異的效能可使行動上網裝置發揮大螢幕的優勢、並兼具高效能和低耗電等優點。晶片內高效能的IVA多媒體加速器可支援720p高畫質錄影與播放，使用者在行動中也能隨時錄製高畫質影片，回家後再透過高畫質電視播放或透過行動裝置傳送與朋友分享。兩款Nokia目前的旗艦產品：N97與N900與Palm Pre都不約而同的搭載了OMAP 3430晶片，其運算速度為500 MHz，後續產品OMAP 3450運算速度可望翻倍至1 GHz！



▲為了讓客戶更快推出產品，德儀還推出完整的研發工具，這台手機模擬測試平台可安裝WM、S60與Android系統並具備手機的所有主流功能，售價為1000美元


由於德州儀器在3G基頻晶片的競爭力不強，因此未來將全力投入應用處理器市場。獨立式處理器架構（即基頻處理器 + 應用處理器）由於更新速度較快而且搭配基頻晶片的選擇彈性高，因此仍獲許多手機廠商青睞。而三星、NVIDIA、Freescale等廠商也都選擇投入多數資源在應用處理器的研發。另一類類業者則是本身即有競爭力不弱的3G基頻晶片業務，所以朝整合式單一處理晶片發展，如Qualcomm、ST-Ericsson、Broadcom都屬於此類。目前以3G無線通訊晶片設計大廠Qualcomm最為積極，該廠已自行研發與ARM Cortex-A8同等級的Scorpion處理器核心，還積極推廣其在智慧型手機及小筆電上的應用。



▲Nokia N97與N900與Palm Pre都不約而同的搭載了OMAP 3430晶片


在目前被稱為「性能機王」的Samsung Omnia II i8000機種內，我們不難發現Samsung手機部門挑戰極限的決心！i8000的前身i908採用Marvell推出的ARM920T PXA312高速處理器，運行速度已高達624 MHz。但作為i908的升級版，i8000擁有更高的螢幕解析度加上更華麗的操作介面、自然需要更強的運算能力。

為了滿足消費者的需求，Samsung工程師在研發i8000時採用了全新的解決方案：改用Qualcomm MSM6290作為基頻處理器搭配自行研發的S3C6410作為應用處理器，MSM6290系列基頻晶片不但運算速度強勁、還有優異的節能特性以延長電池壽命，理論上待機時間可達37天以上。S3C6410應用處理器也採用最新的ARM 11處理器架構、運算速度高達800 MHz，S3C6410針對多媒體功能進行特別強化。iPhone 3G機型內的應用處理器Samsung S5L8900晶片就是與S3C6410相同設計架構的姊妹產品。擁有如此強悍的性能與運算能力，也難怪i8000在處理各種高端應用時能游刃有餘、絲毫沒有一絲遲滯的跡象。



▲在目前被稱為「性能機王」的Samsung Omnia II i8000機種內，我們不難發現Samsung手機部門挑戰極限的決心！