從iPhone 5看未來手機處理器晶片發展趨勢

自從 NVIDIA（輝達）、SAMSUNG（三星）與 Qualcomm（高通）競相推出四核心智慧型手機處理器晶片組之後，智慧型手機也從今年進入了「四核心時代」。然而 iPhone 5 在螢幕尺寸與手機處理器晶片的規劃上，我們可看出 Apple 不願盲目追隨市場潮流、堅持既有產品設計原則的態度。iPhone 5 搭載全新架構的 A6 雙核心處理器與升級的 PowerVR SGX 543MP3 圖形處理晶片，Apple 官方表示新的 A6 晶片組擁有相比上一代 iPhone 4S 兩倍的處理速度與圖像效能、卻更為省電。為什麼 A6 雙核心處理器的性能與其他四核心處理器相比毫不遜色？Apple 設計智慧型手機處理晶片的態度為何？四核心與雙核心架構未來誰將成為主流？請看 手機王網站的分析報導。

iPhone 5 內部處理器晶片帶來驚喜
 
經過了近一年的期盼之後，Apple 支持者終於在 2012 9 月 12 日等到 iPhone 4S 的後續產品：iPhone 5。今日的 iPhone 早已不同於五年前，巨大的年度銷量意味著複雜的全球供應鍊，保持新產品細節每一個環節都不洩密成為了「不可能的任務」，因此雖然沒有像 iPhone 4 在問世前發生工程機遺失事件，但對照先前在網路上流傳的照片與規格，幾乎多數重要規格都已在發表會前曝光。唯獨一項關鍵性零組件：智慧型手機處理晶片，Apple 卻成功的將細節保留至發表的前一刻。甚至到正式上市之後，外界才透過拆解分析的方式瞭解到 Apple 是如何用心打造這款號稱「有史以來最好的 iPhone」。


▲iPhone 5 關鍵性零組件：智慧型手機處理晶片，Apple 卻成功的將細節保留至發表的前一刻。

iPhone 5 雖然沒帶來太多驚喜，但是在螢幕尺寸與手機處理器晶片的規劃上，我們仍可看出 Apple 不願盲目追隨市場潮流、堅持既有產品設計原則的態度，這也從另一方面說明了 Apple 對於自有產品的強大信心！在發表會上 Apple 宣布 iPhone 5 搭載全新架構的 A6 雙核心處理器與升級的 PowerVR SGX 543MP3 圖形處理晶片，Apple官方表示新的 A6 晶片組擁有相比上一代 iPhone  4S 兩倍的處理速度與圖像效能、卻更為省電。iPhone 5 執行各種應用的速度更快，例如辦公套裝軟體 Pages 載入速度達到之前的 2.1 倍，Keynote 載入速度也達到之前的 1.7 倍。另外 A6 處理器對攝像頭拍照性能也有提升，包括具有下一代 ISP、空間降噪、智慧過濾、更好的低光照表現和更快影像捕捉能力，拍照速度比 iPhone 4S 大幅提升40%。


▲多核心設計的應用處理器其好處顯而易見：應用處理器（Application Processor）晶片的耗能效率和性能不斷改進，受功率束縛、產品開發和物理學的限制，朝向多核晶片方向發展是大勢所趨。

對於過去習慣於創辦人 Steve Jobs 在發表會上帶來「One More Thing」的 Apple 死忠支持者而言，最近兩年推出的 iPhone 4 及 iPhone 5 的確缺乏給人帶來驚喜的創新突破！但是沒有人可以否認，採用雙核心架構、但性能卻絲毫不輸給市場上四核心處理器的 A6 晶片是發表會上最大的驚喜，其 32 奈米製程工藝和 3D 堆疊封裝技術也是目前半導體頂尖科技的最佳展現。

Apple 拒絕加入四核心處理器的大軍
 
2007 年 iPhone 的問世大幅加快了行動裝置處理器的性能發展，在行動上網應用日漸普及之際，消費者對智慧型手持裝置運算能力的要求也水漲船高。雙核心應用處理器已是 2011 年高階產品的標準配備，性能更強大的四核心應用處理器也於 2012 年大量普及。在 Apple A6 晶片組問世之前，市場上的四核心晶片組只有 NVIDIA Tegra 3、SAMSUNG Exynos 4412 兩種選擇，而Qualcomm 公司採用 28 奈米製程的 APQ8064 四核心處理晶片以及海思 K3V2 兩款產品都尚未大量鋪貨。而市場上的主流雙核處理器晶片組則有許多選擇，包括 MTK 聯發科 MT6577、Qualcomm MSM8260 / MSM8660、TI 德州儀器OMAP4430 / 4460 / 4470、SAMSUNG Exynos 4210、NVIDIA Tegra 2、Qualcomm MSM8225、ST-Ericsson U8500、Qualcomm S4 Snapdragon MSM8260A 等產品。2007 年的 iPhone 一代的 ARM 11 處理器晶片性能僅相當於早期的桌上型電腦 Pentium 2 處理器，螢幕解析度也僅有 VGA 等級，今天的四核心處理器其性能已經追近桌上型電腦的雙核 Core Duo 處理器，螢幕解析度則達到1080P 等級。我們可以說過去 PC 個人電腦走了整整 10 年的硬體升級道路，智慧型手機僅花了 5 年就已經走完。未來的智慧型手機處理晶片將如何發展？許多產業人士都表示難以想像。


▲2007 年 iPhone 的問世大幅加快了行動裝置處理器的性能發展，在行動上網應用日漸普及之際，消費者對智慧型手持裝置運算能力的要求也水漲船高。

正當許多人都對手持裝置（包含智慧型手機與 iPad）處理器晶片的百家爭鳴感到目眩神迷之際，Apple 工程師反其道而行的設計思維指出了另一條發展道路。多核心設計的應用處理器其好處顯而易見：應用處理器（Application Processor）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，朝向多核晶片方向發展是大勢所趨，然而 iPhone 設計團隊最重視的是「使用者體驗」，而手持裝置處理器的首要要求是性能與節能表現（電池續航力）的平衡，如果一味追逐性能提升反倒犧牲使用時間，則這樣的進步沒有任何意義。這樣的設計邏輯也可以在 The New iPad 平板電腦上發現，這款產品並沒有選擇今年初已經開始流行的四核心處理器，而是搭載了升級後的 A5X 晶片，型號後的 X 代表 4 倍的圖形處理性能（四個 GPU 核心與兩個 CPU 核心）。


▲率先問世的 NVIDIA Tegra 3 處理器晶片今年搶下不少高階產品市場。

從去年下半年開始，市場上即傳出 Apple A6 晶片仍為 ARM 架構、而且很可能會採用 ARM 最新推出的Cortex-A15 MPCore 架構，該架構基於 ARMv7-A Cortex 微架構，在單個晶片內整合 1 至 4 個 SMP 處理核心。外界傳言 Cortex-A15 架構相對上一代 Cortex-A9 架構性能提升幅度達到 100%，可在同等功耗水準上達到 5 倍的性能提升。在 iPhone 5 發表之後，專業硬體網站 Anandtech 立刻發現 A6 晶片並非採用標準的 ARM 架構，而是一款 Apple 自行設計的 ARMv7 架構處理器。國際知名科技媒體 PCMag 則從三個方面測試了 A6 晶片的性能，最後結論是包括流覽器性能測試（JavaScript 性能、HTML5 交互性能以及整體流覽器性能）、Geekbench 性能測試（CPU 性能測試工具，包括整數運算、浮點運算、記憶體性能以及 Streaming 性能）以及 GLBenchmark 性能測試（測試處理器的圖形處理能力）在內的全方位測試中，iPhone 5 除了在 GUIMark 3（主要測試 HTML 5 交互性能）和 GB Floating Point（浮點運算測試）的表現稍弱之外，其他全部測試結果都顯著領先競爭對手，iPhone 5 雖然選擇了被許多人視為較早推出的雙核心處理器架構，但完全不愧於「世界上最快智慧型手機」的稱號。


▲iPhone 5 雖然選擇了被許多人視為較早推出的雙核心處理器架構，但完全不愧於「世界上最快智慧型手機」的稱號。（圖片來源：businessinsider.com）

A6 晶片組如何成為「史上最強雙核心晶片」？
 
能夠以雙核心架構迎戰其他四核心架構的競爭對手，Apple 工程團隊在背後的努力功不可沒。自從 iPad 2 以及 iPhone 4S 問世將近 18 個月之後，第三方 iOS 應用開發廠商才逐漸完成軟體對雙核心處理器的優化設計，此時若冒然推出全新的四核心處理器、iOS 應用開發廠商又得再次改寫軟體程式碼。Apple 認為智慧型手機處理器目前的總體性能已經過剩，四核心處理器得到軟體的支援並不好，也沒有殺手級的應用程式推動四核心甚至 8 核、16 核的處理器的需求， 除了測試性能的跑分軟體和超高解析度影片的解壓縮之外，很少有應用軟體需要四核心處理器全速執行。


▲從去年下半年開始，市場上即傳出 Apple A6 晶片仍為 ARM 架構、而且很可能會採用 ARM 最新推出的 Cortex-A15 MPCore 架構，其性能將大幅躍進。（圖片來源：ARM 官方文件）

透過 X 光分析儀仔細分析 A6 晶片組的內部結構，可以發現 Apple 並沒有選擇超頻 A5 晶片組中的雙核心 SGX 543MP2 圖形處理器，也沒有選擇第三代 iPad 內搭載的 A5X 晶片組內的四核心 SGX 543MP4 圖形處理器，而是選擇使用三核 PowerVR SGX 543MP3 圖形處理器以取得性能、功耗其晶片尺寸大小的完美平衡。研究人員發現 A6 晶片組內印有 B8164B3PM 的辨識標籤，這意味著該處理器使用容量為 1GB 的爾必達旗下 LP 第二代雙倍速數據同步動態隨機存取記憶體（DDR2 SDRAM），相比其前身增加了一倍的記憶體空間。研究機構 Chipworks 的工程師透過高性能顯微鏡分析 A6 晶片組的內部結構，最後驚訝地發現其電路佈局異於典型使用電腦軟體設計的雙核心 ARM 架構積體電路佈局，內部清楚可見三個 GPU 圖形處理內核的電路佈局相當齊整，然而雙核心 ARM 處理器內核的電路佈局卻顯得有些雜亂，這意味著其 ARM 架構佈局很可能透過「手工設計」完成。iFixit 推測 A6 晶片可能是近年來唯一一顆採用手工設計電路所完成的處理器晶片。手工設計電路佈局費時費力而且成本較高，但能夠優化處理器高頻率運作的性能、這是電腦輔助設計工設計電路佈局無法匹敵的！以手工精雕細琢的結果是 A6 晶片組成為歷史上性能最強的 ARM 架構雙核心處理器。


▲Chipworks 的工程師透過高性能顯微鏡分析 A6 晶片組的內部結構，最後驚訝地發現其電路佈局異於典型使用電腦軟體設計的雙核心 ARM 架構積體電路佈局，並推測雙核心 ARM 處理器內核的電路佈局採用的是手工設計。（圖片來源：chipworks.com）
 
高通入門等級四核心處理器 MSM8225Q 加入競爭
 
有別於 Apple 工程團隊選擇繼續強化雙核心處理器的性能，包括 MTK 聯發科與 Qualcomm 高通都選擇加快推出四核心處理器的腳步。2013 年初將問世的聯發科 MT6588 晶片組將採用四核心處理器，而圖形處理晶片也升級為 Power VR SGX544，相比 MT6577 晶片內的 SGX531 圖形處理器性能提高了近一倍（已經超越 iPhone 4S），屆時聯發科的智慧型手機晶片在入門級智慧型手機市場將難有對手。面對來自 MTK 聯發科的強大威脅，Qualcomm 高通也針對 MT6588 晶片組而計畫在 2013 年第一季推出「入門等級」Snapdragon S4 Play 系列的四核心處理晶片 MSM8225Q，這款具有濃厚較勁意味的產品採用 Cortex-A5 架構及 28 奈米製程工藝，完全採用 ARM 標準化結構意味著研發速度更快、成本也更低。與聯發科採用 Cortex-A7 架構的 MT6588 晶片組相比，MSM8225Q 的運算效能外傳不如 MT6588，不過在部分品牌廠商無論如何都希望其智慧型手機產品都冠上「搭載四核心處理器」頭銜的強烈需求之下，這顆售價壓低至 20 美元的晶片組仍有望成為 Qualcomm 的銷售主力，高通通訊產品管理資深副總裁 Cristiano Amon 則表示：「Cortex-A5 架構的 Qualcomm 四核心產品與競爭對手比較，其電池續航力也較競爭對手的四核心產品高出 20%，多核心產品基礎參數雖然有所不同，但最終仍要看效能的優異比較。」


▲有別於 Apple 工程團隊選擇繼續強化雙核心處理器的性能，包括 MTK 聯發科與 Qualcomm 高通都選擇加快推出四核心處理器的腳步。（圖片來源：mtksj.com）
 
四核心處理器目前是否真正發揮功效？
 
行文至此，許多讀者恐怕會十分好奇為什麼 Android 陣營的智慧型手機產品特別需要四核心處理器？2012 年可說是名副其實的「四核心晶片年度」，包括 NVIDIA Tegra 3、SAMSUNG Exynos 4412、Qualcomm APQ8064 或是 TI OMAP 5 系列產品都先後問世，以最受歡迎的 NVIDIA Tegra 3 晶片組為例，所採用 Cortex-A9 架構的內核運算頻率可達 1.4 GHz，四個核心還可單獨進行亂序工作、其性能的確不俗。但是由於 Android 自身生態圈的缺陷（軟體與硬體整合差），使得 Android 智慧型手機需要更強大的運算能力才能追上 Apple iPhone 提供的使用體驗。透過以硬體簡單粗暴的方式提升性能並不難、但缺點是功耗更大，那為什麼不從軟體介面著手，儘量優化處理器的潛能呢？雖然使用體驗才是王道，但這方面目前誰也無法超越 Apple，面對 Android 陣營內眾多採用相同操作系統的產品，手機品牌廠商更需要硬體規格的提升來突出產品特色。而對於晶片供應商來說，由於手持裝置處理器市場的競爭遠高於個人電腦處理器（由 Intel 與 AMD 兩大廠商壟斷），比競爭對手晚推出新產品就意味著失去市場先機（Qualcomm 今年在高階產品的市佔率大幅讓給 NVIDIA 即為一例），因此各廠商一旦完成了新科技突破就全力推廣，四核心處理晶片組在此時出現可謂正中下懷，不管它是性能過剩還是吃電猛獸、只要聽上去很美就有市場價值。


▲MSM8225Q 這款具有濃厚較勁意味的產品，為高通 Snapdragon S4 Play 系列，採用 Cortex-A5 架構及 28 奈米製程工藝，與聯發科採用 Cortex-A7 架構的 MT6588 晶片組相比，外傳運算效能不如 MT6588，高通方面指出，多核心產品基礎參數雖然有所不同，但最終仍要看效能的優異比較。（圖片來源：ARM 官方文件）

跑分軟體在執行時讓處理器進行大量高負荷的運算，這類運算任務在我們在日常生活使用手機時極少發生。在軟體沒有特別設計的前提下，多出的兩個處理內核不一定能有效分擔運算任務。因此四核心處理器雖然普遍用在 Android 陣營之內，相比與雙核心處理器其瀏覽網頁的加速有限、四核心處理器能玩的遊戲，基本上雙核心處理器也能玩，在沒有足夠的高品質軟體加持之下，四核心處理器的潛力目前還沒有完全發揮。消費者付出更高的成本，但實際使用上提升的價值或許並不值得：可能只是在玩某些遊戲時讀取進度能快上零點幾秒。不過筆者在此也不是鼓吹「四核心無用論」，預估未來幾年隨著各類軟體在圖像渲染、複雜運算等方面對硬體的需求越來越大，四核心的優勢將不僅僅表現在讀取遊戲加速的那零點幾秒，而終將有自己的一番用武之地。


▲MSM8225Q 完全採用 ARM 標準化結構意味著研發速度更快、交給 TSMC 台積電製造的成本也更低。（圖片來源：TSMC 官方文件）
 
下一代智慧型手機處理晶片設計趨勢為何？
 
由於電池化學的技術進展有限，所有手持式電子裝置當今所遇到科技瓶頸，幾乎都是跟使用和待機時間有著密不可分的關係、而智慧型手機也不例外。與傳統的功能型手機（Feature Phone）相比，目前智慧型手機最受到消費者詬病的缺陷不外乎耗電量過大、待機時間短、通話時手機溫度偏高及性能不穩定等問題。要解決上述問題所牽涉的層面極為廣泛，最關鍵的改良方案在於電池技術，但在電池芯遲遲無法推出更有效的解決方案之前，只能針對各個電子元件的耗能來改善。智慧型手機處理晶片一直被視為耗電大戶，如何在保證較長續航時間的前提下實現更高的運算性能一直是困擾智慧型手機的難題，強大性能的處理器晶片很難實現長時間續航力，而為了節能推出低功耗晶片，則晶片的運算性能又不能滿足複雜應用的要求，如何取得能耗與性能的平衡成為下一代智慧型手機處理晶片的設計重點。


▲面對市場上不同的需求，ARM 推出各種不同的核心架構、包括 Qualcomm 高通與 Apple 在內的業者也選擇自行研發特殊架構。（圖片來源：ARM 官方文件）
 
下一代的智慧型手機處理晶片很可能朝「異構四核心」的方向發展：即一組 Cortex-A15 雙核心搭配一組 Cortex-A7 雙核心結構。這種整合高性能運算晶片與低功耗運算晶片的方式意味著當智慧型手機處於待機狀態或執行低強度任務時（例如看電子書、聽音樂、發短信等簡單功能）、只有功耗較低的 Cortex-A7 雙核心在運行，而需要大量運算的時候才啟用 Cortex-A15 雙核心。「異構四核心」結構有望解決性能和功耗之間的矛盾。從技術上來看，Cortex-A7 能夠與 Cortex-A15 實現 100% 的 ISA 相容，而且 Cortex-A7 也支持新的虛擬化指令集、整數除法和 40-bit 記憶體尋址，這意味著任何運行在 Cortex-A15 核心的程式代碼都可以在 Cortex-A7 核心運行（只是運算速度稍慢），ARM 宣稱兩種核心之間的切換延遲僅為 20 毫秒，普通使用者根本無法感受到切換過程！其實對於一般使用者來說，採用什麼架構他們並不關心、更關心的是使用體驗，晶片設計公司必須與操作系統開發者緊密合作，在系統底層與開發工具進行最佳化設計才能 100% 發揮硬體性能，這才是軟硬體設計一把抓的 Apple iPhone 其最大優勢所在。


▲積極爭取手持裝置晶片市場的 Intel 仍目前仍以單核心設計為主，但性能與雙核對手相比差距並不大。

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