NVIDIA、高通四核心处理器大战一触即发

随着 2011 年即将进入尾声,智慧型手机与平板电脑市场的主要厂商也积极规划将于 2012 年问世的新产品。在行动上网应用日渐普及之际,消费者对智慧型手持装置运算能力的要求也水涨船高。双核心应用处理器已是 2011 年高阶产品的标準配备,性能更强大的四核心应用处理器也将于 2012 年大量普及。Apple A6(苹果)、NVIDIA Tegra 3(辉达)或 Qualcomm Snapdragon S4(高通)、TI OMAP 5(德州仪器)究竟谁会成为 2012 年 ARM 阵营的主流产品?请看手机王网站的分析报导。
「四核心处理器大战」将热闹登场
2011 年尚未正式结束,智慧型手机与平板电脑市场的主要厂商早已忙于研发 2012 年初即将发表的新产品。近日市场上传言 HTC 计画在 2012 年世界行动通讯大会(MWC 2012)发表多款搭载四核心处理器的智慧型手机与平板电脑,HTC 首款採用四核心处理器的平板电脑产品将搭载 10.1 吋触控萤幕,性能也将胜过目前市场上的主流产品 Apple iPad 2,而包括 Acer、ASUS、SAMSUNG 及 Lenovo 等厂商也都有类似规划,可以确定明年上半年智慧型手机与平板电脑的「四核心处理器大战」将热闹登场。

在行动上网应用日渐普及之际,消费者对智慧型手持装置运算能力的要求也水涨船高,双核心应用处理器已是 2011 年高阶产品的标準配备。(图片来源:Qualcomm 官方资料)
用于手持性装置上的双核心处理器已经在今年得到消费者的普遍认同,也使得智慧型手机与平板电脑成为继 PC 个人电脑之后,又一大量使用双核心平行运算科技的消费性电子产品!在 20 世纪 1990 年代,个人电脑处理器製造商如 Intel 或 AMD 最早都选择透过增加时脉速度来提高运算效能,但之后工程师发现一昧提升时脉速度将导致耗电量增加与散热等问题、最终反而成为发展的瓶颈,直到 21 世纪初转向多核心晶片的发展才渐渐克服前述问题。类似的发展历史也在智慧型手机应用处理器上重演:为了使高阶智慧型能有足够的运算能力以执行大量应用软体和第三方功能,智慧型手机处理器的时脉速度在最近五年突飞猛进。2006 年市场上的主流运算时脉速度约为德州仪器 TI OMAP 1 系列的 200 MHz 左右,到了 2010 年我们已见证手机处理器突破 1GHz 门槛的历史时刻,1GHz 处理器晶片成为 2011 年所有中阶以上智慧型手机的标準配备,高阶产品则首次跨入了「双核心处理器」时代,包括 Apple A5、TI OMAP 4、NVIDIA Tegra 2 或 Qualcomm Snapdragon Scorpion 系列都是双核心处理器的代表产品。

除了性能出众与节能之外,智慧型手机与平板电脑的处理器还需要缩小尺寸以满足消费者对此类装置轻薄短小的要求。(图片来源:NVIDIA 官方资料)
新世代处理器的效率更高
多核心设计的应用处理器其好处显而易见:应用处理器(Application Processor)晶片的耗能效率和性能不断改进,但每一代晶片的进步却在缩小,这个瓶颈从近几年的电脑处理器演进趋势就可看出。受功率束缚、产品开发和物理学的限制,朝向多核晶片方向发展是大势所趋。以最早问世并开创四核心行动运算新时代的 NVIDIA Tegra 3 处理器为例,SoC 晶片内的四个主核心则专门为需要高效能运算的作业而设计,特殊的 vSMP 核心架构还有第五个 「协同」CPU(Companion Core)专门设计用来负责较不耗电的作业,如执行如听音乐、播放影片或更新背景资料等任务时,Tegra 3 处理器会完全关闭四个高效能核心改而使用协同处理器。在执行高效能作业时,如浏览网页、多工作业以及游戏时 Tegra 3 处理器会关闭协同核心,更有效率的运算架构致使 Tegra 3 处理器的耗电量甚至低于其前身 Tegra 2 双核心处理器。

使用多核心技术的晶片可提高运算速度 20% 至 30%,手机电池的待机时间则可延长 20% 至 30%。
另一方面,由于电池化学的技术进展有限,所有手持式电子装置当今所遇到科技瓶颈几乎都与续航时间有着密不可分的关係、而智慧型手机也不例外。与传统的功能型手机(Feature Phone)相比,目前智慧型手机最受到消费者诟病的缺陷不外乎耗电量过大、待机时间短、通话时手机温度偏高及性能不稳定等问题。要解决上述问题所牵涉的层面极为广泛,但最关键的改良方案在于电池技术。而在电池芯迟迟无法推出更有效的解决方案之前,只能针对各个电子元件的耗能来改善,如改进基频晶片(尺寸更小)的製程达到低耗能的目的、研发出更省电的新型高线性功率放大器 PA(Power Amplifier)等。使用多核技术的晶片可提高运算速度 20% 至 30%,手机电池的待机时间则可延长 20% 至 30%。

代号「Project Kal-El」的 Tegra 3 处理器不但是全球第一款 ARM Cortex-A9 架构四核心处理器,还可搭配 12 核 NVIDIA GeForce 图形处理晶片(GPU)。(图片来源:NVIDIA 官方资料)
NVIDIA Tegra 3 四核心处理器率先登场
虽然扬名于 3D 显示晶片市场,NVIDIA(辉达)在评估了 Intel 个人电脑处理器发展蓝图后果断将未来押注于手持性装置。2011 年可说是 NVIDIA 进军智慧型手机晶片市场取得突破性进展的关键年!该公司推出的 Tegra 2 双核处理器不但被 Google 视为新一代 Android 系统测试机的标準配备,也得到了包括 ASUS、Acer、MOTO 及 LG 在内的品牌厂商大量採用。Tegra 2 这款处理器採用 SoC 单晶片架构,一举整合双核 ARM 处理器核心、图形处理器、影像处理器、音效处理器、高画质影像解码器,还有一颗处理系统基本功能的 ARM7 处理器等多功能于单一晶片之中。
在 Tegra 2 双核心处理器受到市场上的广泛好评之后,日前 NVIDIA 又推出了代号「Project Kal-El」的 Tegra 3 四核心处理器,它不但是全球第一款 ARM Cortex-A9 架构四核心处理器,还可搭配 12 核 NVIDIA GeForce 图形处理晶片(GPU)。在 Tegra 3 与 GeForce 两者相辅相成之下,使用者在浏览支持 Adobe Flash Player 11.1、HTML5 以及 WebGL 等格式的网页时速度更快,图形显示效果更是 Tegra 2 处理器的三倍,还可透过动态光源、物理效果与高解析度场景环境、加上 3D 立体显像技术来营造更逼真的画面影像。对数百万经常在手持性装置上玩游戏的使用者来说,Tegra 3 处理器提供足以媲美电视游戏主机的娱乐体验,未来还可使用 NVIDIA 大受好评的「3D Vision」技术自动把 OpenGL 应用转换成立体 3D 模式,让使用者在手机萤幕或外接到大尺寸的 3D 电视上享受 3D 体验。

全球首款搭载 NVIDIA Tegra 3 四核处理器的平板电脑,已确定是华硕推出的 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊变形平板!零件供应商透露华硕已经预订了足够的零件货源用于在 12 月份生产 35 万台 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊变形平板。
全球首款搭载 NVIDIA Tegra 3 四核处理器的平板电脑已确定是华硕推出的 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊变形平板!第一代 Eee Pad Transformer 问世后持续热销,是少数今年销量能达百万台的 Android 平板电脑产品。为了延续该系列产品的成功,华硕工程团队很早就开始研发第二代 Eee Pad Transformer 的研发计划,该款产品确定搭载四核心处理器及 Android 4.0 Ice Cream Sandwich 作业系统。零件供应商透露华硕已经预订了足够的零件货源用于在 12 月份生产 35 万台 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊变形平板。
Apple A6 处理器可望採用 Cortex-A15 MPCore 架构
另一个今年率先使用双核处理器的品牌厂商:Apple 也计画在 2012 年初推出自行设计的 A6 四核心处理器!2011 年初 Apple 推出 iPad 2,该款产品在硬体上的最大升级就是换用代号 A5 的全新 1GHz 双核处理器,这款处理器基于双核心 ARM Cortex-A9 架构(由两个 1GHz ARM Cortex-A9 晶片(即 A4 晶片组成),另外 iPad 2 也将图形显示晶片更新为 PowerVR SGX543,PowerVR SGX543 在相同频率下则可达到每秒 3,500 万个多边形,像素填充率上升至 10 亿并将支持 Apple 大力支持的 OpenCL 通用计算标準。双核处理器与新款图形显示晶片搭配的结果是运算性能提升了 100% 以上、图形处理能力更是 9 倍于第一代 iPad。

如果关于 Apple iPad 3 萤幕解析度将大幅提高 300% 的传闻属实,则透过四核处理器提升图形显示效能将成为必需。(图片来源:Apple 发表会侧录)
虽然 iPad 2 仍持续热消,Apple 工程团队已完成了代号为「J2」的下一代 iPad 研发工作,日前 CNET 新闻网站援引 DisplaySearch 分析师 Richard Shim 的评论并透露 iPad 3 将使用的 10 英吋 2048 x 1536 像素液晶萤幕已开始生产。如果关于 iPad 3 萤幕解析度将大幅提高 300% 的传闻属实,则透过四核处理器提升图形显示效能将成为必需,加以随着新世代 iOS 5 加入实现每天自动备份资料的 iCloud 服务及整合语音辨识及软体代理人(Software Agent)科技的 Siri 语音辨识功能,2012 年问世的 iOS 产品势必需要更上一层楼的运算能力。目前可以确定的是 Apple A6 处理器仍为 ARM 架构、而且很可能会採用 ARM 最新推出的 Cortex-A15 MPCore 架构,该架构基于 ARMv7-A Cortex 微架构,在单个晶片内整合 1 至 4 个 SMP 处理核心。外界传言 Cortex-A15 架构相对上一代 Cortex-A9 架构性能提升幅度达到 100%,可在同等功耗水準上达到 5 倍的性能提升。预料 Apple 有望充分利用四核晶片的性能优势,帮助新款 iPad 完成与 PC 个人电脑更为接近的多工处理(Multitasking)操作体验。

外界传言 Cortex-A15 架构相对上一代 Cortex-A9 架构性能提升幅度达到 100%,可在同等功耗水準上达到 5 倍的性能提升。(图片来源:ARM 官方资料)
高通寄望 Snapdragon S4 系列收复过去失地
不同于急于进入市场的 NVIDIA,另外两家智慧型手机处理器主流製造商 Qualcomm(高通)及 TI(德州仪器)选择直接跳过推出 Cortex-A9 架构、计画在明年第二季明年推出採用 Cortex-A15 架构的四核应用处理器。其中 Qualcomm 已于日前发表基于 Krait 架构的 Snapdragon S4 家族系列处理器的产品蓝图,包括之前公布的 APQ8064 在内共有10多个不同衍生型号,Snapdragon S4 家族涵盖双核与四核应用处理器两种设计方案。基于 Qualcomm 自行研发有别于 ARM 标準架构的 Krait 架构和 28nm 製程工艺,还支持微软 Windows 8 和 Google Android 两大主流系统平台。
全球通信晶片市场的领导厂商 Qualcomm 是 1985 年由 7 位有识之士在 Irwin Jacobs 博士于美国圣地牙哥的家中决定创立。其英文名称 Qualcomm 源于「Quality Communications」的简写,也清楚说明了公司创办人希望让高品质的通讯科技能成为推送整个社会发展的动力。走过创业之初的艰辛之后,Qualcomm 在行动通信革命浪潮中快速成长,早期的 GSM 规格专利费结构以主要专利持有人之间的低成本或免费交叉许可为基础,这种结构使少数几家通信巨头垄断市场并阻碍了新厂商的加入、进而减少消费者的选择。而 Qualcomm 在 CDMA2000 和 WCDMA 规格的通信市场上推动低于手机批发价格 5% 的专利费帮助为数众多的厂商(超过 135 家授权厂商)打入行动通信市场,可说是全球迈入 3G 通信时代的重要推手。

与其他竞争对手不同的是,Qualcomm 推出的「基频处理器 + 应用处理器」完整方案让智慧型手机厂商在节省採购成本之余还缩短产品研发时间。(图片来源:Qualcomm 官方资料)
在智慧型手机晶片市场上,Qualcomm 推出的 Snapdragon 平台早已成为高阶机种的首选方案之一,全球第一款 1GHz 智慧型手机:Toshiba TG01 就是採用 Snapdragon QSD8250 处理器。与其他竞争对手不同的是,Qualcomm 推出的「基频处理器 + 应用处理器」完整方案让智慧型手机厂商在节省採购成本之余还缩短产品研发时间,最具代表性的例子就是目前 Qualcomm 在智慧型手机市场上最重要的品牌客户 HTC。
虽然在高运算时脉单核处理器市场佔有明显优势,Qualcomm 抢佔双核处理器市场时却遭遇不少挑战,由于採用 Scorpion 架构的 Snapdragon 双核处理器其性能不及採用 Cortex-A9 架构的 NVIDIA Tegra 2,这导致 NVIDIA 吞食了大部分 Android 阵营平板市场用晶片。Qualcomm 于 2011 年 11 月发表的 Snapdragon S4 家族高阶产品就是为了迎战 NVIDIA Tegra 3 所準备。针对过去外界对 Qualcomm 颇为诟病的「图形显示晶片性能较差导致游戏性能不及对手」劣势,Qualcomm 也积极收复先前被 NVIDIA 抢走的市场。日前 Qualcomm 宣布将在 Android Market 官方市场上推出 100 个以上的游戏应用软体,这些应用软体将被标注「Snapdragon GameCommand」并仅提供给 Snapdragon 处理器的用户下载。预料 2012 年 Qualcomm 在智慧型手机处理器市场的动作将非常积极,笔者也将在日后专门撰文进行仔细分析。

Qualcomm 自行研发有别于 ARM 标準架构的 Krait 架构和 28nm 製程工艺,还支持微软 Windows 8 和 Google Android 两大主流系统平台。(图片来源:Qualcomm 官方资料)

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