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嵌入式CPU/GPU邁向低耗多核異質架構

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AMD/Imagination/Intel/VIA等廠商仍持續推出多核低耗嵌入式處理器(AMD/Imagination/Intel/VIA)
AMD/Imagination/Intel/VIA等廠商仍持續推出多核低耗嵌入式處理器(AMD/Imagination/Intel/VIA)

過去嵌入式系統因考量被嵌入的機台╱裝置之體積空間,而盡可能選擇低功耗、僅有散熱片設計的處理器、系統或週邊晶片。若從架構、運算效能╱功耗區分,高階嵌入式處理器其規格跟通用型處理器無分軒輊,具備多核心、大容量快取、強化╱整合網路週邊晶片,系統功耗從30∼100W以上都有,供微型伺服器、儲存裝置使用。

中階嵌入式處理器功耗則在15~70W不等,針對像遊戲機╱博奕機台、網通設備、數位家庭等裝置。入門嵌入式處理器功耗一般在15W以下,具備簡易連網功能,可提供嵌入式開發套件或嵌入機台做人機介面(HMI);當功耗低於2W的低功耗嵌入式處理器,則用於RFID、Wireless Sensor無線感測、居家情境控制等,也有些廠家以200MHz/2W以下且具備較強週邊╱動作控制電路的低功耗嵌入式處理器分類,另以微控制器(Micro Controller Unit;MCU)稱呼之。

ARM Cortex Mx & Rx系列大舉攻佔嵌入式市場(ARM/Scaleo Chip/Samsung)

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嵌入式處理器市場 ARM架構對決X86陣營

安謀國際(ARM)挾應用處理器核心市場的市占優勢,在嵌入式處理器矽智財(IP)市場快步崛起。旗下Cortex-M0、M0+、M3、M4以及Cortex-R4/R5/R7兩大系列的嵌入式處理器核心,以不同運算核心╱功耗╱指令集的彈性化配置,廣獲各嵌入式處理器製造商如意法(ST)、德儀(TI)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、聯發科(MediaTek)、輝達(NVIDIA)等採用,順勢滲透協同處理器(Co- processor)、行動裝置配件、智慧汽車、智慧家庭、固態硬碟(SSD)儲存設備及各種物聯網(IoT)裝置;而ARM的64位元處理器也瞄準微型伺服器的應用領域,且獲得超微(AMD)、高通、聯發科、輝達等大廠的採用。

而從PC/NB x86架構延伸出來的嵌入式處理器,則有英特爾(Intel)/超微(AND)/威盛(VIA)/國家半導體(NS)等架構陣營,在工廠自動化╱工控電腦上較為普遍。

像芯科(Silicon Labs)以ARM Cortex M0/M0+架構的EFM32 Zero Gecko MCU,能與環境偵測器等做介接,搭配長效鋰電池與太陽能光電板,達到10~20年無須換電池的感測應用;NXP推出ARM Cortex M0/M3/M4處理器架構的LPC Go/LPC Connect/LPC Turbo/LPC Command系列嵌入式微控制器,協助業者開發出POS機、自動收費、電子化政府、機上盒,以及工廠自動化、HMI人機介面、電梯╱升降梯控制、觸控產品、智能網格╱電錶、室內外智慧照明等應用。

拓朗半導體(Altera)和賽靈思(Xilinx)兩家FPGA商,已陸續推出整合多核心中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)和Intel Atom、ARM微控制器等運算核心的SoC FPGA(可程式化邏輯閘陣列),做為工廠自動化結合可程式控制器(PLC)、動作控制(Motion I/O Unit)單元等自動化的嵌入式系統的應用。

在2012年6月,超微半導體(AMD)聯合安謀(ARM)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)、德儀(TI)與聯發科(Mediatek)等處理器大廠,成立非營利的異質系統架構基金會(HSA Foundation),從矽智財(Silicon IP)到軟體開發商等建立完整異質性運算的產業鏈。2014年起,針對精簡型電腦、汽車娛樂設備、POS、STB/IP TV機上盒╱網路電視盒等低功耗市場,推出Embedded-G GX-2xx(雙核)到GX-4xx(四核)編號的APU(加速處理器)。

以最頂級GX-420A為例,採取四核心、2GHz Jaguar CPU核心,內建600MHz Radeon HD8400E(Sea Islands等級)的GPU,支援DDR3-1600,設計功率5∼25 W。隨後將推出代號Hierofalcon(獵鷹)的CPU單晶片,將首度結合四至八核的64位元ARM Cortex-A57處理器核心架構,並整合10 Gigabit乙太網路控制器,設計功率僅15∼30W,將成為安謀架構首度強攻高端雲端運算伺服器等應用市場的第一個灘頭堡。

雖然x86架構CPU仍佔全體處理器市場銷售額69%,但面對ARM的步步進逼,微處理器龍頭英特爾(Intel),以過去類似Pentium MMX(P55)為微核心架構的Atom(凌動)處理器,分別針對嵌入式應用、平板電腦、智慧手機等市場,來阻卻安謀陣營的攻城掠地。Intel所推出第四代架構的Atom處理器E3800(代號Bay Trail),以領先業界的22nm製程技術搭配3D立體閘極電晶體製造,具備四核心架構,內建2MB L2 Cache設計,工作時脈頻率為1.91GHz;以Silvermont微架構為基礎的SoC平台規劃下,涵蓋高I/O連線能力、整合記憶體控制器以及內建的安全功能,系統熱功耗設計(TDP)為5∼10W。

英特爾嵌入式Atom處理器,可應用於數位招牌、互動式用戶端(如互動式資訊櫃台、智慧型販賣機、ATM 和POS終端機)、可攜式醫療裝置、工業控制系統,以及車用資訊娛樂(IVI)系統。另外,英特爾在CES 2014首度公開僅一張SD卡大小的雙核微型電腦平台-Edison,內嵌一顆22nm製程打造,時脈僅400MHz的Quark處理器,整合Wi-Fi與藍牙射頻模組,瞄準物聯網、無線感測與穿戴式裝置商機。

威盛即將推出一款採x86 架構設計的64bit處理器-代號Isaiah II,以四核心共享2MB L2快取記憶體設計,工作時脈為2.0GHz,其預計效能將以英特爾(Intel)的Atom E3800(Bay Trail)、AMD Kabini APU產品相近。

Microchip瞄準物聯網應用的PIC32MZ微控制器系列,以200MHz頻率下提供330 DMIPS及3.28 CoreMarks/MHz的執行效能,每秒取樣頻率達28M的12bit ADC設計,並提供MPLAB Harmony跨廠商整合式開發框架,所有內建或第三方中介軟體、驅動程式、週邊函式數庫和RTOS等軟體元件,彼此和諧共存並確保能相互運作;一切程式碼、再授權與技術支援均透過Microchip達到一站式購足(One-Stop Shop)的服務,輔以完整的入門開發套件、週邊套件以及開發工程板,可創造、開發出許多過去無法想像的嵌入式智慧應用。

Imagination Technologies新推出的以併購MIPS原有的Aptiva微處理器系列產品的矽智財IP為基礎,於11月中旬技術高峰會中,正式發表MIPS Series 5 Warrior系列處理器,涵蓋P-Class、M-Class,以及最新發布的64位元I-Class 3個系列。首次亮相的I-class I6400 CPU是第一款結合64位元架構與硬體虛擬化技術的IP核心,透過多執行緒、多核心與多叢集一致處理(multi-cluster coherent processing)技術,提供可彈性延展的效能。

P-Class的P5600核心具備高效能快取一致性、硬體虛擬化、128位元SIMD,包含增強虛擬位址(EVA)和延伸實體位址(XPA)特性,以確保未來世代產品的可擴充性,加上為最大化SoC系統效能進行的重大微架構最佳化設計。同時P5600亦可支援多核心配置,每個叢集最多為6個核心。

M-Class則是全球首款一款內建硬體虛擬化電路技術的微控制器(MCU)級CPU IP核心,可為各種入門級應用帶來全新的靈活性、安全性與可靠性。