2013 年末主流智慧手機處理器款式隨談

2013.11.19 05:09PM
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又到了近一年的尾聲,今年對於智慧手機市場又是再次出現驚人的發展,除了大小核技術、真假八核之爭,還有 ARMv8 64 位元架構首度投入智慧手機,都是今年熱門的焦點,筆者也簡單針對今年幾家手機應用處理器廠商現階段的主流產品做個簡短的介紹,順便推估這些廠商明年可能的計畫與發展。

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高通:

對於高通來說,今年應該是大豐收的一年,尤其原本代號 S4 Prime 的應用處理器再調整識別名稱策略後,終於以年度旗艦級應用處理器 Snapdragon 800 之名問世,靠著入門與主流的 Snapdragon 200 、 Snapdragon 400 以及中高階的 Snapdragon 600 與 Snapdragon 800 ,打入多數智慧手機廠商的供應鏈。

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並且高通原本就擅長網通技術, LTE 的在歐美日韓需求升溫,中國亦準備開放 LTE 執照,主打高整合性的 Snapdragon 由於可支援多種網通技術,加上 Snapdragon 800 又推出支援 LTE-Advanced 的版本,亦迫使如三星等為了電信商需求,不得不將原本採用它款處理器的手機推出採用 Snapdragon 800 的版本。

高通目前的策略是將入門的 Snapdragon 200 採用 ARM 標準設計 Cortex-A7 架構, Snapdragon 400 以上的處理器則是採用高通基於 ARMv7 指令集的自主架構核心 Krait ,不過全系列的 Snapdragon 都是基於自主專利的 Adreno 300 系列 GPU 。

對於高通的處理器,目前是很難以核心的數量斷定其效能與等級,尤其是 Snapdragon 200 的四核心是採用 Cortex-A7 、 Snapdragon 400 則是採用高通的雙核 Krait 300 ,後者基於更先進的架構,反而比四核心版本效能更高。

高通的 Krait 架構具備專利的 aSMP 技術,將各個核心的時脈、電壓獨立管理,比起一般的 ARM Cortex-A 標準多核設計採用群組時脈、電壓同步的做法,雖同時脈效能會略低,但理論功耗管理較佳,也不須採用大小核設計增加核心所占整個 SoC 面積,是高通自主核心架構設計的一個重點。

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至於 Snapdragon 600 與 Snapdragon 800 ,核心除了時脈的差異外, Snapdragon 800 更採用架構調整過的 Krait 400 ,同時脈效能也略微提升,更不用說 Snapdragon 800 GPU 架構也是目前 Adreno 家族中最頂峰的 Adreno 330 ,雖然 Snapdragon 600 效能已經不低,不過比起 Snapdragon 800 仍是略遜一籌。

市場上使用高通處理器的產品極多, HTC 就是幾乎清一色採用高通,另外 Sony 、 LG 等主力機種也都使用來自高通的處理器,而三星則是為了 LTE 技術,旗下旗艦機種只要是 LTE 版本多半棄自主處理器改用高通處理器。

高通明年度已知會將 GPU 升級到新一代的 Adreno 400 設計,應該會延續目前 Adreno 300 的堆疊式 GPU 設計,並以單位模組的方式在高階處理器使用多 GPU 設計;至於核心設計應該會延續自主設計方式,仍可能為了趕上 64bit 熱潮使用 ARMv8 指令集架構,不過繼續維持其專利 aSMP 核心獨立管理設計。

蘋果:

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蘋果 A7 處理器今年搶先導入 ARMv8 指令集核心架構,仍是基於自主設計的核心,在設計上仍堅持其雙核美學,以先進架構的低時脈雙 GPU 設計挑戰它廠高時脈四核架構,並且結合高效能的 PowerVR SGX 系列多 GPU 架構輔助達到平衡的整體效能。

由於蘋果一直以來可掌控系統與硬體架構,比起一般 Android 手機更能發揮硬體的性能,並且採取自主架構設計,可剔除系統不需要的結構,將整顆應用處理器的功能發揮得更好,故不需四核心或是高時脈,無論使用體驗或是效能數據都不亞於更多核且高時脈的它廠處理器。

蘋果的堅持並非毫無根據,因為在多核運算理論下,核心越多、效能衰竭的情控也越嚴重,故雙核結構的功耗效能比理論上能夠比四核心更好,反而是現在智慧手機最常用圖形相關應用,需要更複雜的 GPU 輔助,故在蘋果近期的應用處理器方面, GPU 所佔的面積比例常大於 CPU 。

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蘋果所導入的伴隨處理器 M7 也是除了 A7 採用 64bit 架構外的另一個重點,這種伴隨處理器的概念並非未曾出現過,德州儀器的 OMAP 家族就在核心中整合 Cortex-M 架構,透過手機休眠中把網路資料、感測器的管理交給 Cortex-M 負責,減少核心的負擔,但當時由於驅動與系統支援不完整,加上將兩個架構整合後,經常需要喚醒整顆核心進行管理,無法發揮綜效。

所以蘋果這次保守的透過由 NXP 代工的 M7 進行這些底層工作管理,把手機上各種感測器的管理通通交給這顆外掛處理器,讓 A7 處理器專注在其負責的系統工作,當手機進入休眠後,盡量把底層作業轉給省電的 M7 管理,藉此降低 A7 在休眠時需要被喚醒的次數,提升手機的續航力。

至於下一代的蘋果處理器會怎麼進化?恐怕依照往例很可能是將核心時脈微幅提升,並且把 GPU 再次升級,畢竟蘋果才剛經歷一次架構性的升級,除非發生大瑕疵,否則也沒必要進行全面性的改款;不過值得注意的是擁有先進製程技術的 Intel ,已經宣布在 2015 年幫 ARM 架構廠商進行代工且也取得伺服器級產品的訂單,與 Intel 關係良好的蘋果有否可能轉單?

三星:

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三星今年的重點是率先導入大小核 big.LITTLE 技術,但上下半年搭配的 GPU 卻是不同,搭配 S4 的 Exynos 5410 採用 PowerVR 架構,但下半年搭配 Note 3 的 Exynos 5420 卻又回到 ARM Mali 架構,不過無論上半年或是下半年的 Exynos 5 都遭遇運作高發熱的狀況。

這是由於 Exynos 5 系列採用的 ARM Cortex-A15 架構相較前一代的 Cortex-A9 架構複雜度大幅提升,故運作時的發熱也更為明顯;雖然率先導入大小核設計設法降低功耗,不過軟體驅動還未能配合此新設計,導致大小核切換未能如預期般的順利,也無形中造成不必要的功耗。

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雖然 ARM 已經宣布大小核協作已經可以投入實用,只要藉由軟體更新即可讓大小核設計的處理器達成協作,但三星在補充的白皮書已經提到,考慮到目前製程成熟度的關係,會暫緩進行 8 核全開的實作,避免造成處理器過熱。

也因此,三星除了預告明年的手機處理器將會邁入 ARMv8 64 位元指令集外,也表示它們將會率先導入 20nm 先進製程,試圖利用先進製程的優勢抑制新架構可能的高發熱;至於可能採用的架構,也許有了這次 4 核設計的經驗與當初首款 A15 核心產品 Exynos 5250 的先例,說不定會先押寶在雙核設計,避免貿然採用四核心架構的高功耗與發熱;但也有另一種聲音表示已經開啟軍備競賽的三星,很可能繼續瘋狂的進行 4+4 設計。

NVIDIA

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相較去年 NVIDIA Tegra 4 至少在幾家大廠都有產品採用的情況,今年 Tegra 4 在手機上目前僅有小米 3 的 TD-SCDMA 版本先採用; Tegra 4 採用專利的 4+1 架構,共 4 顆 Cortex-A15 架構搭配一顆低時脈的 Cortex-A15 核心進行切換, GPU 則是採用達 72 顆流處理器的 GeForce ULP 架構。

會缺少手機廠商使用並非毫無理由,畢竟前一代的 Tegra 3 採用記憶體單通道以及相較後來處理器落後的 40nm 製程,發熱與記憶體效能不佳一直困擾著 Tegra 3 ;加上 NVIDIA 最近雖然透過收購 Icera 獲得基頻技術,不過比起高通大軍的技術成熟度還未能被驗證,也不像三星、蘋果能夠掌控品牌推出產品, Tegra 4 今年在手機的成績並不理想。

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不過明年的新 Tegra Logan 卻會是一個全新的局面, NVIDIA 將會把架構相對落後的 GeForce ULP 改為精簡自桌上型 GPU Kepler 設計的 Mobile Kepler ,較大的差異是會把現行的一個 GPU 整合所有流處理器的設計,改為與幾款主流手機 GPU 一樣,採用將一定數量的流處理器視為一個單元的多 GPU 設計,不過 NVIDIA 稱此結構為 SMX 單元。

新一代的 Mobile Kepler 將會獲得許多源自桌上型 Kepler 的優點,其中也包括支援 CUDA 平行運算指令集、以及提供桌上型繪圖指令集的 DX11 、 OpenGL 4.4 等的支援性,雖然在手機領域這些支援的特性還未明朗,不過也預留在不同領域例如 Windows Phone 、 Windows RT 、工控、伺服器等的發展可能。

現在也傳出由於 Apple A7 的出現加速市場對 64bit 架構的需求, NVIDIA 更可能為了因應此市場變化,除了按照計畫推出基於 Cortex-A15 的產品外,很可能提前將 64 位元架構提前推出,但是否會用在手機上還有待觀察,畢竟 NVIDIA 推出 Tegra 的目的原本就不光只鎖定手機。

聯發科:

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聯發科今年在主流與入門智慧手機市場表現不惡,靠著一顆 MTK8569 掀起不少話題,也獲得不少一線廠的主流手機與二線廠的旗艦機採用;不過要說話題性,恐怕還是主打真八核的 MTK6592 了。

MTK8592 採用 8 顆 Cortex-A7 核心,八核心的真面目其實是基於 ARM big.LITTLE 架構的變形,以兩套小核群組構成 8 核架構,並且仗著 Cortex-A7 設計發熱不高,透過大小核協作的方式提供八核全開。

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為何不使用標準的大核搭小核?筆者試圖推測理由,以架構特性來說, Cortex-A7 雖效能不及 Cortex-A15 ,但面積小巧、功耗低、發熱低、授權成本較低等因素,對於主打平價與主流手機市場的聯發科是正確的選擇,尤其低發熱特性對於手機環境相當重要,考慮到製程成本,要以現行製程達到八核全開,以全小核的作法是可理解的。

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雖然 4 顆小核效能不敵四顆大核,但若對方無法進行大小核協作,加上容易因為發熱達到安全臨界點而降頻的狀況,若是由 8 顆小核進行協作,在效能上確實有機會提供不遜於 4 大核的效能,但同時又更為省電與低發熱,不過在搭載此處理器的產品正式推出前都只是推論。

至於明年聯發科會在手機投入怎樣的設計就很難推測,不過依照目前聯發科仍死守低價與主流市場的情況,聯發科雖然已經取得 Cortex-A53 與 Cortex-A57 授權,考慮到目標市場以及 64bit 剛起步,極有可能不會在短期針對手機推出 64bit 產品,並繼續主打八核設計;但也可能有另一種可能性,就是靠精簡的 Cortex-A53 先搶攻主流市場產品,且很可能繼續採用真八核設計。

Intel:

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其實筆者很猶豫要不要寫 Intel ,畢竟在台灣,華碩是少數提供 Atom Inside 的智慧手機設備商,不過 Intel 一直在手機市場持續都有在耕耘,年度旗艦機 Lenovo K900 還在中國請了湖人隊的 Kobe Bryant 代言,它們也對手機市場深具信心(加上台灣 PC 廠買單的機率很高),就還是多少提一下。

總之 Intel 現在的狀況是處理器終於有了,基頻數據機技術也藉由併購 Infineon 基頻部門方式取得,但由於起步的晚, Intel 現在手機產品主打的市場仍以主流級(台幣萬元級)為主,隨著 Intel 與 Google 強化合作,雖然解決不少相容性問題,不過就目前來看仍佔總體 1 成的 Android 無法相容,而北美 30 大熱門 app 有 5 款會遭遇相容性問題。

然而,隨著 Intel 發布完成 LTE 晶片的研發(雖然還是得外掛),以及接下來架構將大改,還有先進製程的導入,在架構日益複雜且時脈越來越高的手機晶片市場, Intel 反而又有機會以 PC 時代的套路竄起:靠著先進製程為後盾提供更好的工耗與運作穩定性。

這招真的是有用的,因為近期幾款 Android 手機都傳出長時間運作下會因為發熱導致安全機制啟動而降低時脈,藉此保護處理器不至於熱當,但搭載新一代 Atom 的平板撇開效能不談,卻能夠維持長時間全校能運作而不至於過度發熱,顯示 Intel 靠著製程也許接下來幾年還是有機會打破手機市場僵局的。

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