酷不酷有關係：低功耗行動SoC方程式

Imagination Technologies行動方案副總裁Amit Rohatgi

於去年(2012)12月併購MIPS之後，Imagination Technologies同時具備了CPU、GPU、VPU與RPU四項行動平台的關鍵矽智財技術，也為明日異質性平台整合技術帶來契機…

掌握連網SoC的四大關鍵矽智財

Imagination Technologies行動方案副總裁Amit Rohatgi，提到連網SoC裝置，都需具備CPU(Application processor應用處理器)、GPU(Graphics processor圖形處理器)、RPU(Radio comms processor無線通訊處理器)與VPU(Video processor視訊處理器)等關鍵元件。過去半導體製程演進，往往僅考慮效能，而忽略掉電晶體閘極的漏電情況嚴重，而Imagination擁有這四大晶片的矽智財，跟上游EDA、IP供應商、SoC設計商與晶圓廠密切配合，透過硬體與軟體方式進行最佳化功耗的晶片設計。可提供業界開發出更低功耗、隨時連網且提供多樣化媒體內容的行動裝置。

以多線緒CPU核心提昇執行效率

Amit Rohatgi提到當前行動裝置的CPU，在Linux作業系統下執行時，容易發生像快取失誤、分歧預測錯誤、資料相依性、記憶體效能與更多CPU閒置時間等問題，會導致50？200個機器週期的管線停滯，使整體執行效率僅發揮不到50%；多緒(Multithreading；MT)設計的效益在於即便單一CPU核心，仍可進行同步多線緒作業，將CPU執行單元最佳化使用，大幅度減少總執行週期數、停滯週期並提昇應用程式運算輸出率，以更低工作時脈達成相同作業，降低系統成本。

Amit Rohatgi以MIPS多緒CPU做為行動裝置的modem晶片為例指出，在多緒核心加上多緒最佳化的RTOS與LTE基頻軟體堆疊層協助下，可以比傳統非多緒CPU核心多出37？53%的視訊╱資料量輸出率。以同為高階的proAptiv與ARM Cortex A15相比較，同為台積電28奈米High-K金屬閘極製程(28nm HKMG)，前者時脈為1？2GHz，後者為1.8GHz，但proAptive單位執行效能(CoreMark/Mhz)達到4.5 CoreMark/Mhz，而Cortex A15僅3.5；同時proAptive單一核心矽晶面積僅1.85mm^2，不到Cortex A15的3.25mm^2的60%。

proAptive具備動態電壓╱時脈調整技術(DVFS)，從1.3V降至0.9V待機模式，可節省50%的功耗；從閒置模式回復工作模式下節省33%的功耗；即便全速工作模式下，仍然有10？20%的功耗節省，同時提供了PowerArtist功耗分析工具，來協助系統設計者降低整體功耗。

GPU、VPU從架構面達到單位功耗最佳效能

Amit Rohatgi提到Imagination的PowerVR SGX，從架構上採取方磚著色模式(Tile based rendering)─將各3D物件在螢幕的遮蔽面資料剔除，再壓縮傳輸的架構設計，降低記憶體傳輸頻寬、最佳功耗且兼顧繪圖效能的GPU，而獲得蘋果iPad4所採用。他列舉一個由第三方媒體對PowerVR SGX、ARM Mali與NVIDIA Tegra3的功耗比較，ARM Mali 從0.5W到4W巨幅震盪，NVIDIA Tegra3則平均都在1.7~1.8W，PowerVR SGX平均在0.5~1W之間，而且相形平緩。

在VPU部份，採用標準Codec編解碼電路，並追加去區塊(deblocking)、DCT離散餘弦轉換、動態預估╱補償等電路，每個電路區塊未使用時會自動關閉；以SoC技術內嵌DRAM記憶體，動態時脈閘控制節省60%功耗。他列舉微軟Surface平板與採用Imagination VPU的宏碁W510平板，在同樣播放1080p高清視訊下，acer W510平台總功耗3.5W，CPU/GPU/Memory分別為0.17、0.37、0.45W，均比微軟Surface的4.21W、0.35W、0.51W、0.58W的功耗表現為佳。

RPU部份，Amit Rohatgi指出無線電信號的傳播，要考量隨用戶位置和時間選擇切換不同頻道，複雜且多重路徑下造成信號遮蔽、衰減；而智慧的電波捕獲與跟蹤電路，像是以多相位天線，提昇10dB噪訊比並可降低功耗。

Imagination的解決方案與異質化SoC整合技術

Amit Rohatgi提到Imagination掌握CPU、GPU、VPU與RPU四大元件技術，低功耗多緒設計的MIPS proAptive。單位功耗下繪圖效能提昇50%的PowerVR SGX繪圖晶片，PowerVR Series4 VPU提供HEVC、H.265高清即時壓縮編碼╱解碼，並支援到4Kx2K解析度，工作狀態下功耗小於10mW。Ensigma Series4 RPU則提供802.11ac 2x2 MIMO連線能力，支援每一種WiFi協定，以及藍牙、電視、廣播，且維持低功耗水準。

Imagination目前正在研發影像訊號處理器(Image Signal Processor)，今日許多行動裝置具備多組攝影鏡頭，以及執行複雜的軟體；搭配影像訊號處理器，可以降低╱卸載CPU處理數位訊號的負擔，進一步壓低功耗。Amit Rohatgi最後指出Imagination正進行CPU、GPU、VPU與RPU等異質性元件的整合運算(Heterogenous Compute)研發。初期以28奈米下進行MCM、SiP/PoP等系統級構裝，預計在20奈米製程下將進行CPU/GPU/VPU與RPU四合一的SoC超級單晶片，進一步發揮異質性運算特性，像是隨需要在CPU/GPU之間動態切換電壓╱時脈，提供最多1TFLOPS的浮點運算效能。