應用於多媒體行動設備的多核心系統晶片設計趨勢
- DIGITIMES企劃
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未來的手機、平板等手持行動裝置，以強大的無線通訊與跨界高畫質視訊顯示技術，提供工作、生活與娛樂應用，這也牽動了多核心系統晶片的設計走向，即使目前還用不到…
為了讓產業界能夠更精確的掌握多媒體技術發展趨勢，DIGITIMES於8月11日舉辦「2011多媒體影音技術論壇」，首場由工研院資通所副組長曾紹崟先生主講，以日本NTT Docomo對2020年多媒體行動通訊設備應用的願景影片，闡述各家多核心系統晶片的規格、效能與剖析業界晶片的設計趨勢。
美商傳威(TranSwitch)高速互連事業發展總監林銘賢先生，在論壇現場分析當前應用在高畫質數位接頭的HDMI與DisplayPort這兩種介面規格上的差異，以及HDMI與DisplayPort的融合╱混接的新興運用，會場展示攤位並有傳威開發的視訊轉接盒，與來賓做各種HDMI+DP混接、搭接的實際展示。
QuickLogic資深產品行銷經理Paul Karazuba先生，深入探討手持行動裝置在調升背光亮度以提升畫質與延長供電時間的兩難問題，並提出QuickLogic的VEE與DPO 2.0視覺強化與顯示功耗最佳化晶片方案，現場攤位並有實機展示。
意法半導體(ST)市場開發經理許文賦，則介紹ST在MPEG、STB與TV晶片在多媒體影音市場的態勢，以及ST在MPEG解碼晶片、TV電視晶片與STB機上盒晶片的功能、規格與應用。
奧多比(Adobe)亞太事業發展經理楊國鈞(Brian Yang)先生，列舉當前網際網路在各連網裝置上的視訊應用，並介紹Adobe的AIR技術與Flash Player等多媒體播放技術的最新動態。
威信科電(WonderMedia)業務經理薛峻杰先生，闡述當前桌電、筆電、平板與智慧型手機外接大螢幕的無線多媒體影音傳輸應用，以及威信科電發展的SmartStream對應AIO、桌電、筆電、平板、智慧型手機等多種裝置的無線影音輸出到電視的應用技術。
論壇最後由國立成功大學多媒體單晶片系統實驗室教授李國君先生壓軸，巨細靡遺的從演算法與系統架構兩個面向上，分析產業界各種多媒體應用處理器規格、功能區塊，以及其SoC系統單晶片設計與整合趨勢。
工研院資通所副組長曾紹崟先指出，台灣非常欠缺Android這種以Linux為基礎的軟體人才，目前產官學僅能積極培育相關軟體人才來因應Android興起的態勢。他也建議大家上網搜尋日本NTT Docomo Vision 2020這段影片，裡面所介紹的一些像是擴增實境(Augmented Reality；AR)，投影式顯示？軟性電子、穿透式顯示、3D顯示投影、無線？行動通訊與線上同步口譯等技術的結合。
曾紹崟認為，讓iPad成為熱賣產品的是Game與UI，一般人不可能花兩小時用iPad從頭到尾看完整部電影。據niesen網站統計最受歡迎的行動應用程式(App)，其中64%是下載遊戲(Games)、60%是天氣預測、56%則是跟社群網路有關的軟體，51%是地圖、導航與景點搜尋程式等。
主要處理器業者產品分析
曾紹崟先介紹TI目前推出600MHz的TI34x0及720~1.2GHz TI36x0處理器，均採用Cortex-A8架構與PowerVR SGX530圖形核心；2011年1Q推出45nm製程、1~1.5GHz的雙核Cortex-A9架構、PowerVR SGX540圖形核心的TI4430/4440晶片，到2012年3Q則推28nm製程、2GHz四核Cortex-A15加Cortex-M4架構搭配PowerVR SGX544MP圖形核心的TI5430/5432晶片。
而Freescale在2009年推出ARM9架構、400MHz的i.MX27與i.MX25，450MHz的i.MX233，532MHz ARM11架構的i.MX31與i.MX35，與800MHz Cortex-A8架構的i.MX51；2010年開始推454MHz ARM9架構的i.MX28，針對Cortex-A8架構推800MHz i.MX50與1GHz的i.MX53，2011年第2季開始推出Cortex-A9架構、單╱雙╱4核的i.MX6處理器。
高通(Qualcomm)在2011年45奈米低功耗製程下，先推單核1.4GHz的MSM8255處理器，下半年推雙核1.5GHz的MSM8260/APQ8060處理器；2012年切入28nm製程的雙核1.7GHz的MSM8960處理器，在2013年將分出單核2.5GHz的MSM8930處理器，以及4核2.5GHz、搭配4個Adreno 3D核心的APQ8064應用處理器兩個系列，MSM8960或MSM8930可搭配9615 3G/LTE或8215的HSPA+的Modem晶片，以支援HSPA+(3.5G)或LTE。
NVIDIA則是在2010年推1GHz雙核心Tegra2處理器，2011年推代號Kal-El的4核心Tegra3處理器，時脈衝上1.5GHz並內建12個繪圖管線引擎，支援2,560x1,600解析度輸出與1080p H.264編解碼，預計2011年3Q先推平板電腦的版本，2012年1Q推出智慧型手機的版本。接著在2012年將推出代號Wayne的處理器，2013年推出Logan處理器，到2014年STARK處理器推出時，設定目標是2010年Tegra2處理器效能的100倍。
三星(Samsung) Exynos 4210以ARM Cortex-A9雙核心為基礎，採用45奈米製程，時脈達到1GHz；採用ARM的Mali GPU核心，可提供3D繪圖效能並且以HDMI介面做1080p FullHD高畫質輸出。
蘋果(Apple)公司，第1代iPad用的是Apple A4單核處理器，iPad 2使用的則是Apple A5雙核處理器。A5處理器較A4處理器增強的部分為改採雙核心Cortex-A9搭配雙核心PowerVR SGX543MP2圖形晶片，並支援512MB低功耗LP-DDR2記憶體，因此使iPad 2運算與圖形效能都超越第1代的iPad產品。
針對行動通訊╱多媒體應用 CPU大廠的發展方向
曾紹崟綜合各CPU大廠的未來發展方向，在通訊方面納入無線？行動寬頻與近端通訊(NFC)，多媒體應用上增加HD/3D影像擷取與播放、擴增實境與網真(Telepresence)技術；顯示規格則導入1080p HD、3D顯示、薄型化、輕量化、低耗電、可撓式以及投影等技術；感測應用上則導入手勢辨識、環境感知、除噪技術與生理訊號偵測等，最後在軟體上則使用同步口譯、手勢辨識、雲端管理、影像辨識等。各家都做到1~4核心且時脈達到800MHz~1.5GHz，涵蓋如MPEG-4、H.264、VC-1等影音編解碼處理與1080p解析度；整合Imagination PowerVR SGX、NVIDIA的GeForce或ARM Mali等GPU核心，能每秒處理超過2,000萬個多邊形。
他認為，未來的智慧型手持裝置的多媒體處理能力，外接顯示器解析度從2007~8年的VGA、2009~10年的XGA(1,024x768)，到2012年達到WUXGA(1,920x1,200)並支援HDMI輸出；錄影能力從VGA/30 fps、720p/30fps進化到1080p FullHD/30fps，3D繪圖能力從每秒處理200萬個三角形、每秒處理1,000萬個三角形，到明後年則可每秒處理2,000萬個三角形以上；相機支援能力從過去300~500萬畫素、800~1,200萬畫素，到明後年1,600~2,000萬畫素，聲音播放能力從過去15小時、40小時，快速延展到140小時。
多核心晶片效能與功耗的平衡
根據NVIDIA技術白皮書與ARM的觀點，多核心晶片有較快網頁載入速度，單位功耗下有較高效能，較佳的高畫質遊戲體驗、反應速度快且操作流暢，在多工環境下執行效能佳。NVIDIA以Moonbat Benchmark數據指出，雙核心比單核心快2.5倍，同時較單核節省40%的功耗；ARM指出多核心晶片可以使螢幕解析度提升5倍、內容複雜度提升10倍、圖形效能更可增加達50倍。但曾紹崟也實際計算各等級裝置所需的填充速率，目前一般智慧型手機僅需QVGA解析度，高階智慧型手機用到WVGA，WXGA(1,280×768)則只有平板電腦與電子書才用得到，1080p則是電視才用得到；當前各家多核心晶片的GPU效能動輒突破1,000萬填充速率，已遠超過這些裝置的性能訴求：僅有在未來需使用更精緻細膩的3D影像，考量透視與前後背景等因素下，才可能填補當前多核心晶片過份滿溢出來的效能。
曾紹崟認為，業界需檢視自己，是否已對多核心軟體與相關技術最佳化做好準備。以蘋果為例，由於蘋果掌握自家OS關鍵技術，並且針對多核心處理器最佳化，而Android OS並未針對多核心處理器最佳化，所以蘋果的iPad 2操作起來就硬是比Motorola Xoom還要流暢。
