因應高效能、低功耗行動裝置的多核心處理平台設計

iPad運用多核心技術，加速改善新產品效能問題。Apple

行動裝置、智慧型手機對運算效能要求持續增加，現今嵌入式系統應用不只重視效能，更要同時兼顧用戶的操作體驗，使用大量3D、視覺效果的系統架構也讓嵌入式系統運行要求更加嚴苛，發展多核心、支援對稱式多重處理的嵌入式系統平台，可在現有應用中提供一個絕佳的運算性能改善方案...

多核心、對稱式多重處理(Symmetric multiprocessing；SMP)的應用方向，近來大量用於智慧型行動電話、平板電腦中，新產品大多採行多核心整合處理器來建構運行平台，而多核心嵌入式處理器亦成為新款高效能行動裝置產品的代名詞。

在嵌入式系統導入多核心處理器，同時讓運行效能提升，實際上並非易事，因為多核處理器與對稱式多重處理技術，在嵌入式應用環境缺乏完善的SMP系統軟體支持，使得這類整合多核心、多重處理技術的產品，若想達到效能大幅倍增的效益，可能要花更多功夫進行產品整合，甚至會出現效能增加幅度不大、系統核心元件功耗卻增加的問題。

多核心、對稱式多重處理設計難度高

事實上，多核心技術以往多用於伺服器、大型電腦或PC(Personal computer)領域，在這類系統硬體資源相對豐厚的運行平台，透過多核心處理器達到單一主機效能的大幅躍升，已經是目前的市場產品設計主流。但在行動應用產品方面，導入多核心應用方案難度卻大幅增加。應用多核心處理器方案，最大設計目的在提升系統運行效能、減輕嵌入式設計方案整體的運行負荷，讓多核心可以分攤繁雜的運算要求。但理想的運行架構是如此，事實上SMP技術極其複雜，尤其在如何有效分配處理程序方面的技術，PC產品是花了超過5年時間才將伺服器SMP技術整合到一般應用，嵌入式應用還須將SMP技術於系統平台進行最佳化。

以智慧型手機應用為例，基本上電信服務核心應用的簡訊、撥號操作，必須是優先權最高的使用行為，而簡訊、電子郵件、音樂、網路瀏覽應用、GPS定位...等次要操作，也必須在維持核心功能的同時達到穩定與不延遲的操作體驗。但現實的狀況卻不是如此，嵌入式系統必須同時考量效能、元件尺寸、電源功耗...諸多開發因素，而其中效能的關鍵則是嵌入式系統對執行工作量的動態調配與預測執行指令，若SMP效率不彰，也會使多核心架構的實用價值減低。

多核心系統架構的電源管理問題

多核心設計最大的問題在於，單顆核心可以很容易進行電源管控，而當雙核心系統架構的耗能幾乎等於倍增，在有限的IC面積上等於讓散熱問題放大，不僅功耗問題會讓設計複雜度增加，電源管理設計也成為新挑戰。多核心嵌入式平台則在最新的電源管理方面，善用電源管理架構，透過利用原則管理器(Policy Management)、資源管理器(Resource Management)找出SoC整體最佳運行配置，充分利用不同的運行模式使運行環境因應不同的電源管理型態，這也是多核心平台的電源管理架構特點。

在單核心系統平台應用環境下，嵌入式系統面臨的效能瓶頸，幾乎都是卡在核心多功能處理器的時脈速度差異，而目前多核心(雙核心)解決方案，只要SMP核心技術可達到水準表現，讓智慧型行動電話在同一時間處理簡訊、音樂、影片播放與收/送電子郵件等繁複操作，即可讓多核心優勢充分顯現，不至於讓處理中的工作影響新執行的工作項目，但這也有賴SMP的管理效益達到基本要求，才能使多核的效能優勢充分發揮。

善用媒體處理器、多線程軟體架構 提升產品表現效能

除了多核心通用處理器解決方案外，多數行動裝置會用到的大量CPU運算工作，應不至於需要全數集中在通用處理器進行，若從多媒體應用角度觀察，如視訊、影像、照相、音樂...等應用，可善用多媒體硬體解碼晶片或DSP進行處理，或是硬體加速形式改善影音解碼效能，不須把所有運算效能全部耗在多媒體解碼、播放應用上，讓多媒體應用表現更令人滿意。

行動裝置最令使用者關注的，除了是單一影音、視訊的播放效能外，網頁瀏覽表現也是行動產品的關鍵應用考量！以網路瀏覽來說，目前最佔系統效能的應用以YouTube網路視訊播放最為繁重，另外還有Flash影音、網頁大量Tab頁面切換...等操作形式，而這類應用大量考驗多線程執行系統設計架構，必須優化SMP才能獲得較佳使用體驗。

例如，Google的Android版Chrome瀏覽器，即採多線程處理技術，多線程處理可強化SMP操作，這類技術運用在行動裝置可讓多組程式在智慧型手機系統單晶片(SoC)中同時執行，從使用者角度來看，只要使用多線程架構便能同時執行多組應用APP。

功耗管理問題仍是多核平台最大的設計挑戰

在實際的應用場合，大型PC、伺服器採行的SMP技術，較不會考量系統的即時反應效能，但場景轉換至嵌入式裝置的SMP應用，SMP不只要助益運行程序，對於裝置的即時反饋操作體驗，還必須維持一定的反應效能，這對於嵌入式SMP系統設計又是更大的考驗。

尤其在功耗管理方面，若是以PC、伺服器為平台的SMP架構，因為本身運行效能即十分充沛，即時互動的效能反應根本不是問題，反觀在智慧型手機這類嵌入式平台設計中，產品必須能快速關閉不需要的多媒體處理器、DSP，來降低整體系統的耗電。另外，系統還必須針對用戶的多媒體播放需求，快速喚醒對應的多媒體處理器、DSP，而硬體或SoC區塊功能的喚醒時間長短，便會影響產品的操作體驗。