移动核心异质架构大未来

    根据研究机构IMS Research的报告，在2011年规模达1110亿美元的处理器市场营收中，有超过一半的比例是来自在单芯片中结合不同类型处理器核心的异质架构，充分显示出异质架构技术在处理器市场中的重要性。
而异质架构趋势的兴起，可从英特尔和超微于2010年起推出整合运算（CPU）和绘图处理单元（GPU）的个人计算机处理器开始。现在，随着智能型手机和平板计算机的全球热卖，此趋势已由行动装置的应用处理器接棒，继续发扬光大。
应用处理器锁定的不仅是快速成长的智能型行动装置市场，在三网融合、云端运算技术的推进下，未来更是与电视接轨，抢攻三屏一云概念商机的重要关键元件。也因此，这块大饼已成为苹果、Broadcom、TI、Marvell、联发科、高通、三星等一线半导体业者，甚至台积、联电、三星等晶圆代工厂的兵家必争之地。
业者竞逐多核心应用处理器市场
Strategy Analytics的研究数据指出，截至目前，双核心应用处理器约占智能型手机销售量的20％，主要都是用在高阶机种。为进一步扩大商机，业者正积极将双核心处理器朝低价智能型行动装置发展，并同时开发更高阶的四核心应用处理器。
在今年三月的全球移动通信大会上，Nvidia、高通和海思（HiSilicon）都发表了新款四核心应用处理器，正式宣示了行动装置将从今年起迈向四核心时代。
接着，今年五月，三星也推出Galaxy S3智能型手机用的新款32纳米Exynos 4212处理器，采用四核心Cortex-A9，与Mali-400MP GPU架构。甚至预告说，将于两年内导入ARM的「Big.Little」设计概念，包括4颗A15和4颗A7，进一步提升效能。
根据IEK的资料，高通、TI、三星、Nvidia和苹果等大厂共占了高达82％的应用处理器市场。国内的联发科虽有产品，但并不强势，也已于日前推出平价手机用双核心芯片，预计明年推出四核心产品。
尽管领先厂商积极抢进四核心设计，但是另一方面，众所瞩目的苹果新款iPad于三月上市时，其A5X处理器的设计概念却是让人跌破眼镜的仍采用双核心设计，反而是藉由增加GPU数量来提升效能。
GPU的重要性日渐提升
随着行动装置的使用者绘图接口（GUI）分辨率已朝Retina （视网膜）发展，再加上60Hz讯框率的需求，以及手机/平板计算机将成为搭配HDTV的媒体显示中心，这些都使绘图功能的重要性日渐提升，这可从苹果的设计策略得到证实。
原先业界期望新iPad会改采四核心的A6处理器，但苹果仍维持与旧版A5处理器相同的1GHz Cortex-A9双核心，但却把Imagination的PowerVR绘图核心从原来的两颗增加为四颗。
新款A5X处理器能支持2048x1536的分辨率，各是原来iPad 2（1024x768）水平和垂直分辨率的2倍，等于是原有总画素数的4倍。为了强调双核心处理器仍能有优异效能，苹果甚至直接诉求其A5X比四核心的Tegra 3还优。
不过，另一方面，根据Chipworks的拆解报告，采用三星45纳米技术的A5X处理器晶粒面积为165mm2，比A5的123mm2大了不少。相较之下，Nvidia的Tegra 3，采用台积电的40纳米制程，仅有82mm2，甚至英特尔的32纳米双核心Sandy Bridge芯片也只有150mm2。
面对其它业者积极采用四核心设计，虽然现阶段苹果以四核心GPU的做法来满足高分辨率需求，但业界认为苹果仍有可能在今年下半年推出32纳米或28纳米的四核心A6处理器以因应更高的系统效能需求。
仅管如此，苹果A5X处理器设计已充分显示出GPU的重要性，同时，高通和三星也积极采用最先进的GPU技术来增强处理器的显示与播放效能。由于更佳的GUI需要更高的画素处理能力，不仅行动装置如此，资通讯娱乐系统、后座娱乐装置、多屏幕显示等其它产品也朝此趋势发展，因此，对消费娱乐体验来说，为了提供更具差异化特性，未来GPU必定将扮演日益重要的角色。
异质架构的未来
过去，行动GPU的效能远远落后桌上型计算机，但随着市场需求兴起，行动GPU的效能早已不可同日而语。根据台积电的资料，在制程技术推动下，行动GPU 2007年时效能还不到1 GFLOPS，今年采用28纳米技术，已可达到12～30 GFLOPS，明年移转到20纳米技术，更将进一步提升到100～200 GFLOPS，是一大跃升。
在更高的绘图效能带动下，可以预见，未来几年行动装置将能享有更佳的视觉体验。
行动GPU的演进
而从概念上来看，GPU因为具备平行处理特性，能够更容易扩充效能。Imagination技术部门营销副总裁Tony King-Smith认为，GPU能以95％的线性度增加效能，而且不会增加撰写应用程序的困难，未来GPU将可能会占SoC近一半的面积。
的确，虽然从硬件规格来看，CPU核心数越多当然就意味着效能更高。但事实上，由于CPU的序列处理特性，多核心会显著提升应用程序撰写的困难度，效能提升的效益不如增加GPU来得显著。
目前，市场上还是有许多行动软件并未针对四核心进行最佳化设计，大部分应用程序还是仅用到一或两颗核心。对此，Nvidia正与领先游戏业者合作，目前已有多款四核心最佳化的应用程序上架到Google Play。预计到年底，更多的四核心软件将能就绪。
为了真正发挥多核心CPU+GPU异质架构的优势，超微、ARM、联发科、Imagination、TI等五家业者已共同成立HSA（异质系统架构）基金会，希望透过开放、标准化的异质架构编程模式，加速异质架构处理器的发展。这对处理器技术的技术进展来说，是很重要的里程碑，虽然目标不容易实现，但值得期待。
此外，就芯片设计的来看，多核心处理器必定会面临存储器带宽和整体系统功率的重大瓶颈。所以，除了单芯片异质架构的发展，未来整合应用处理器与存储器的3D IC堆叠技术，因为能有效解决高效能系统带来的功率挑战，也会是下一代应用处理器另一个重要趋势，而台积电CoWoS（芯片─晶圆─基板）技术的进展将是观察重点。