具節能、高效率特質之SoC整合方案發燒　為Mobile、Desktop產品提供更多可能

NVIDIA Tegra系列SoC產品，利用多處理器核心提升運行效能。NVIDIA

近來最夯的IC設計議題，多以SoC系統單晶片整合方案最為熱門，以往偏向功能性晶片整合來達到降低零組件數量、組裝成本優勢，而目前的趨勢為朝向核心應用處理器、晶片組、圖形加速晶片的功能元件整合，以縮減零組件佔用PCB載板的排佈面積，進而達到更小的體積、更高的效能，加快產品Time to Market的絕佳效果...

以往系統單晶片(system-on-a-chip；SoC)的整合方案，多半會用於對效能要求不高的IA(Information Appliance)產品為多，因為IA產品多半對效能方面的要求較低，而且其開發目標是期待產品能處於極低功耗狀態下運作，其運行功能也多屬於輔助性質或附加應用為主。

但隨著SoC晶片性能不斷提升，以Mobile行動應用為前提的資訊產品，肯定必須採行SoC方案來架構硬體，現在連強調性能的Desktop產品，也開始興起一波採行SoC方案的熱潮。

例如，早期在開發IA相關產品，大多會因為功耗的要求選擇效能、功耗、成本相對較低的RISC處理器或功能晶片來進行應用整合，但近年來這種開發形式已經逐漸發展出以RISC處理器為基礎的整合SoC應用方案，這類方案多半整合如視訊H.264硬體壓縮、圖形硬體加速...等關鍵應用功能，相關方案亦使用於數位機上盒、媒體播放器...等產品。

RISC/CISC SoC整合方案各具優勢

事實上，這類較早期的嵌入式運算平台，其運算性能如果未搭配其他硬體加速方案的擴充支援，處理影音串流傳輸、編碼、解碼應用時，效能表現可能會因此受限，另一方面則是，當硬體平台開發完成後，必須交付給軟體開發業者進行UI設計，以RISC架構開發的SoC應用平台，其系統、軟體與GUI開發資源相對較少，於產品商品化時，即會碰上開發成本墊高、開發時程拉長的問題。

比較幸運的是，目前已有大量嵌入式系統電算平台解決方案，例如，基於Multi-Core ARM的TIGRA/TIGRA 2 SoC方案，或是Intel CE4100、AMD FUSION APU...等以x86運算架構為基礎的SoC解決方案，均可作為因應產品開發需求的關鍵元件，不只是在電算平台的功耗表現、性能表現。

SoC形式的電算整合方案，已可達到接近一般Desktop產品的水準，在因應寬頻網路內容服務、多媒體處理應用時，這幾類SoC電算平台均能完整對應硬體加速方案，讓產品設計可以利用極小的系統載板，輕鬆架構出符合應用功能需求的產品，而整體的系統載板也可以最少的離散元件(因為多數關鍵元件均已採SoC晶片整合)，滿足成本、效能最佳化的應用條件。

SoC具成本優勢 低價電腦運算方案具整合價值

以往SoC方案多以行動裝置優先導入為多，因為SoC可以將多功能單元利用封裝技術一一加以整合，一來透過各個已驗證的功能單元增加成品的良率，同時在開發過程中把各功能晶片銜接設計在單一晶片上，硬體載板的開發負荷便可有效降低。

但針對低價電腦需求進行的SoC方案設計，其實會遭遇較多開發困難，一來Desktop產品要求的性能較高，分散式的設計方案會在元件的熱處理方面較具優勢，而各獨立的功能模塊，若有運行性能方面的考量，也能透過更換解決方案或是調整組態來升級，但SoC方案選擇的整合項目一旦確認，往後可以調整的空間就相對限縮許多。

另外，SoC方案是可以利用晶片級的整合方案，把原先離散的設計利用封裝手法來進行功能整合，如此可以減少生產線的元件打件數量，也可達到提升生產效率、易於偵錯優點，而SoC由於採晶片形式的封裝整合，若在各功能模塊預先考量電源管理需求，還可讓SoC化的解決方案發揮極佳的電源使用效能。以往採離散式設計的系統平台常會遭遇區域或功能模塊電源管理較難整合的問題，反觀SoC化的解決方案，則相對容易發揮電源管理的整合效益。

Desktop解決方案 透過SoC化滲透Mobile市場

觀察近年的IT產業發展趨勢，中央處理器的設計型態已逐步朝向高度整合的方向發展，以因應節能減碳、提升空間/資源使用效率的設計潮流，開發端Desktop電腦產品以往多半集中在南橋晶片的整合設計，現在則多以CPU來整合各功能子系統。

AMD的2011年市場操作策略重心擺在APU(Accelerated Processing Unit)相關產品線，包括主流APU LIano終端產品，另還有次世代APU產品Trinity。此外，為因應當前熱門的平板電腦風潮，AMD預計將調整SoC產品項目，例如推出代號Denas的Z系列，採用Bobcat架構的APU平板設計方案，整體SoC功耗預期會低於6W，並已預先整合HD6250繪圖處理核心，同時支援HTML5、Adobe Flash 10.2...等，都是以Apple平板電腦為假想敵所進行研發的SoC產品。

AMD Desktop端的SoC方案為Llano，針對Mobile甚至是平板應用的需求，則以Trinity為首，其整合特色是讓處理核心趨近於Desktop的效能，同時搭載中階Desktop等級的3D繪圖核心，所架構的應用服務系統若就規格面觀察，會較目前熱門的嵌入式ARM SoC方案更具競爭力，甚至可因應未來的高效能、多媒體應用需求。

Virtual Machine技術 在單一平台因應多種系統

以SoC解決方案的角度觀察，AMD採行的是較保守的x86架構整合與衍生性作法，即在不影響舊有x86的核心技術與相關開發資源下，利用SoC化的設計方案把相關產品應用功能模塊進行重整，快速因應目前Desktop與Mobile高度整合的市場需求。

尤其是在Mobile應用方面，面對目前Google的作法，基本上x86架構的AMD解決方案在原生應用方面勢必無法直接支援，折衷作法是透過與第三方軟體開發商的技術整合，以虛擬機器(virtual machine；VM)形式來運行Android系統，由於原先選擇的SoC方案已具備Desktop的效能水準，用來運行VM並搭配針對行動產品架構而強化設計的Android系統，應可具備水準以上的表現。

Intel以CE4100產品 發展基於x86基礎的低功耗SoC

相較AMD對SoC的應用形式，Intel也嘗試在CE4100多媒體處理器應用原先在低價電腦市場相當熱門的Intel Atom核心基礎，針對網路電視(IPTV)、數位機上盒(Set-Top Box)、Internet多媒體播放器、數位電視...等IA應用領域，進行SoC產品的應用最佳化設計，相較舊有的同性質精簡指令集(Reduced instruction set computing；RISC)架構的多媒體SoC產品，CE4100因為導入x86架構核心與趨近Desktop硬體效能水準的顯示核心，其視訊輸出和繪圖能力將可充分發揮系統整合優勢。

基本上，CE4100係以Intel Atom處理器架構為基礎進行重整設計的SoC整合方案，可滿足IA產品或相關運算平台對於低耗能、高附加價值、完整電腦使用體驗...等開發要求，並已具備硬體視訊解碼、3D圖形加速、1080p視訊硬體處理...等功能。Intel CE4100的生產製程為45nm， 處理器核心面積僅27mm²，採用951 Ball FCBGA進行SoC產品封裝，核心也改換成Atom微架構，藉此確保SoC的回溯相容特性。

CE4100有CE4100、CE4130、CE4150等3款不同型號，核心最高時脈為1.2GHz，運行功耗介於7~9W，符合IA產品運行電源功耗的要求，而CE4130與4150均支援AV輸入的硬體即時影音壓縮。英特爾也與Adobe合作，CE系列SoC已針對Adobe Flash Player 10進行最佳化設計，可支援H.264視訊壓縮/解壓縮應用。

在核心設計方面，CE4100 SoC結合通用媒體處理器、影音繪圖元件，搭配45nm製程技術，系統為相容x86架構的Intel architecture參考設計，CE4100未來甚至還可選用Light Peak、Thunderbolt高速傳輸技術，強化多媒體資源的應用彈性。

SoC化設計仍須預留升級空間 因應複雜多變的市場需求

一般來說，SoC整合方案，多半在效能上必須採取折衷設計，因為要達到高度整合，勢必要考量SoC本身的熱處理機能，避免高效能模塊造成SoC晶片出現過熱問題。至於改善效能的方案，多會考慮使用多核心Multi-Core的形式，來提升SoC整體運行效能。

目前市場主流的SoC應用方案，在無法過度強化運算或繪圖核心的前提下，多半開始導入雙核或多核心的設計形式，以達到整體運行效能的大幅提升。然而，採用此類改善方案，也必須考量成本與實務層面，例如整合過多處理核心將可能導致SoC面積過大，另在整合難易度與產品良率上也會出現不同的結果。

以AMD Fusion產品線為例，Bobcat系列主攻省電市場，而Llano系列CPU為採32nm製程，處理器架構沿用Phenom II與Athlon II，為強化架構的運算效能，搭配Turbo Core 2.0動態加速技術，同時也會推出2 Core(代號Winterpark)與4 Core(代號為Beavercreek)兩種規格來因應高效能SoC整合需求，但高效能版本的Fusion產品，其功耗表現達到65W。

觀察雙核心Llano的APU，會發現其運行效能僅略低於Desktop產品的Athlon II X2 250，但Llano APU整合的圖形顯示功能規格與效能超越目前市售的其它圖形處理核心。4 Core(Beavercreek)處理器效能則僅略低於Athlon II X4 640。

此外，SoC產品最大的罩門就在晶片整合的核心元件，在未來應用需求有所調整時，可能無法透過置換功能元件來強化SoC既有的運算資源，但這種狀況在新的SoC整合概念下，也有利用Desktop產品現有的效能強化手段，預留未來升級空間的創新方式。

譬如，AMD的SoC解決方案，預留Dual-GPU Technology繪圖效能強化技術，即使用Desktop等級的Hybrid CrossFire顯示加速技術，在現有的SoC架構下搭配外部圖形顯示卡，可支應SoC辦不到的圖形加速高效應用，透過彈性的外部顯卡擴充模式，讓SoC效能不受繪圖核心所箝制，更達到如高階Desktop電腦才有的表現水準。

延續x86系統的可用整合資源

採行Intel CE4100或是AMD的Fusion SoC方案，最大的優勢均在於具x86平台豐沛的系統整合資源，以嵌入式系統應用為例，例如IA產品或是多媒體連網產品，即可採行Microsoft Windows Embedded Standard 7嵌入式系統平台的應用方案來進行整合，即便不想採行Microsoft Windows嵌入式整合方案，x86系統也仍有豐沛的Linux開放源碼資源可用，足以應付多元的產品設計需求。

相同的狀況，若是採行RISC-Based的解決方案，可能在應付具視訊輸出功能的產品設計時，只有Linux或Android系統可用來進行產品整合，在設計前端的GUI時，也必須花費更多時間與精力來建構操作介面，相較於Windows-Based的x86架構，來得複雜許多。

此外，針對IA應用的嵌入式系統也有越來越多的趨勢，目前已有多種以Linux嵌入式系統為基礎的整合方案，例如，Google的Android就有2.x~3.x平台可選，現在還有Honeycomb應用系統，甚至是針對網路電視研發的GoogleTV系統平台可供運用。另以Linux為基礎的還有Intel的Moblin平台、Nokia的Maemo，都是相當知名的Linux應用版本。平板電腦應用方面，則可選擇Intel和Nokia共同開發的MeeGo，或是Novell SUSE的MeeGo、Linpus的Linpus for MeeGo等不同版本，為IA產品的開發提供更多可用資源與整合彈性。