本期文章

邁向四核心行動時代

撰文/陸向陽    

近年來,運算行動化的態勢已愈來愈明顯,Desktop PC的成長已不再,過去30年來的PC產業,僅有1985年、2000 年才有少見的出貨表現不佳,其它年皆為高度成長,然而,2011年似乎真的顯現了疲態。



反觀平板類產品氣勢如虹,智慧型手機也仍持續高度成長,目前仍有20%以上的年增率,而無論是手機或是平板,均以ARM架構晶片為主,而非x86架構。



正因為手機、平板的高度成長,使行動裝置ARM晶片技術急起直追,若將其與Desktop x86晶片相比,2000年即達1GHz運作時脈,2005年出現雙核,2006年出現四核,將此對應到ARM,ARM晶片在2009年達1GHz後,在2011年達雙核,2011年底開始到今年的2012年,四核將大幅開展。



由此可知,ARM與x86間的重大技術里程差距,從9年(突破1GHz)拉近到6年(雙核、四核)。然而,行動裝置真的有必要採用四核心嗎?採用四核心的技術評估與考量為何?本文以下對此進行討論。



ARM多核心發展歷程



ARM架構晶片的真正竄起是自ARM7TDMI(ARM7系列)開始,更早之前的ARM1~6並不普及,而在7系列後也陸續開展了9系列、11系列。



11系列後ARM的指令集架構(Instruction Set Architecture;ISA)大轉變,由ARM、Thumb轉變成Thumb 2,此為ARMv7架構,過往ARM7、9、11則分別為ARMv4、5、6架構,ARM7、9、11自此被ARM歸類為經典、古典(Classic)處理器,此後改以ARMv7為主,開展出Cortex-A系列、M系列、R系列的新系統。



M系列屬成本取向的嵌入式應用微控器(MCU),期望取代多年來盛行的8051 MCU或其他8/16-bit MCU;R系列則以支援即時作業系統(RTOS)為主,若用於手機則多負責基頻(Baseband)調變解調工作;A系列則以執行應用程式為主,一般也稱應用處理器(Application Processor)。



更簡單說,M系列像MCU,R系列為執行時效性要求更嚴苛的嵌入式MCU,A系列則類似MPU、PC CPU,本文所言的雙核、四核等多核的ARM,即指A系列。



在A系列中,ARM最先釋出的為Cortex-A8核心,而後才有更低規、低階的A5核心、A7核心,或更高階的A9、A15核心,不僅A系列如此,M系列也是先有M0、M3,而後才推行M1,字母之後的數字編號為規格、等級意義,而非發表先後順序。



由於A8是A系列最早的1個核心,當初規劃時並未考慮多核心設計,爾後ARM決議加入多核設計,所以A8之後的A5、A7可支援多核心,ARM方面將此稱為MPCore(Multiple Processor Core)。同樣的,A9、A15也支援多核心,其中A5、A7、A9支援雙核、四核,A15更可到八核。



選擇A9四核或A15四核?



既然A8僅能單核,無法雙核,就更不用談及四核,而多核化是為了獲得更高的效能,因此多半往更高規的核心考慮,即A9、A15。



由於A8、A9、A15採相同指令集,因而有了齊頭比較的機會。一般而言,A8每MHz可獲得約2,000的DMIPS(Dhrystone MIPS)效能,A9則為2,500,A15為3,500。由此可知:同樣核心數、同樣運作時脈下,A9效能高於A8,A15高於A9。



然另有相關論點表示,A9與A8無異,僅在支援雙核、多核與否,A9可視為多核版的A8。不過,即便A9與A8同,A9的極限時脈也高於A8,以台積電(TSMC)的40G(40nm奈米)製程最高可至2GHz,A8約1~1.4/1.5GHz。A15的另一效能強調為:同核數、同時脈下高出A8、A9約50%能耐,即150%效能。



若將上述DMIPS效能進行單純數學性計算,一般新聞上聲稱的「雙核、2.5GHz的Cortex-A15,效能勝過5個1GHz的Cortex-A9」是成立的,即2 x 2.5 x 3,500 = 17,500,大於5 x 1 x 2,500 = 12,500。總之,A15具更高效能,A9也高於或等於A8,因此四核設計,將以A9或A15為考慮。



A15已有功耗過高顧慮



既然多核是為了追求更高效能,那為何不只考慮A15,而仍會考慮A9?



事實上,A15不單是為行動運算市場而推,ARM也期望透過A15打入過往ARM所無法進入的伺服器市場,為此ARM在A15中加入了硬體虛擬化、大型實體定指擴展延伸(Large Physical Address Extensions;LPAE)等功效。



依據ARM的規劃,1-2核、時脈1-1.5GHz的A15訴求於高階智慧型手機;2-4核、1-2GHz的A15訴求為高階數位家電(如平面電視);4核、1.5-2.5GHz的A15則訴求伺服器;8核、1.5-2.5GHz則訴求無線基礎建設(Wireless Infrastructure),更通俗的說法即無線區域網路(WLAN,如Wi-Fi)的路由器、分享器。



規劃雖如此,但規劃與實際有差異,目前手機、平板已有四核需求,如富士通(Fujitsu)在CES 2012期間揭露使用NVIDIA Tegra 3(Coretex-A9 x4)的手機Arrows,然ARM僅屬意智慧型手機使用雙核。同樣的,新創業者Calxeda以Cortex-A9為基礎推出四核的伺服器專用晶片EnergyCore ECX-1000系列,而不是使用ARM較屬意的Cortex-A15。



既然A15有考慮打入高階數位家電、伺服器、無線路由器等市場,那麼雖提升了效能,但恐怕難兼顧ARM向來自豪的低功耗,此也是仍有晶片業者考慮僅以A9來設計四核晶片,不一定要採行A15。




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