NVIDIA、高通四核心處理器大戰一觸即發

隨著 2011 年即將進入尾聲，智慧型手機與平板電腦市場的主要廠商也積極規劃將於 2012 年問世的新產品。在行動上網應用日漸普及之際，消費者對智慧型手持裝置運算能力的要求也水漲船高。雙核心應用處理器已是 2011 年高階產品的標準配備，性能更強大的四核心應用處理器也將於 2012 年大量普及。Apple A6（蘋果）、NVIDIA Tegra 3（輝達）或 Qualcomm Snapdragon S4（高通）、TI OMAP 5（德州儀器）究竟誰會成為 2012 年 ARM 陣營的主流產品？請看手機王網站的分析報導。

「四核心處理器大戰」將熱鬧登場

2011 年尚未正式結束，智慧型手機與平板電腦市場的主要廠商早已忙於研發 2012 年初即將發表的新產品。近日市場上傳言 HTC 計畫在 2012 年世界行動通訊大會（MWC 2012）發表多款搭載四核心處理器的智慧型手機與平板電腦，HTC 首款採用四核心處理器的平板電腦產品將搭載 10.1 吋觸控螢幕，性能也將勝過目前市場上的主流產品 Apple iPad 2，而包括 Acer、ASUS、SAMSUNG 及 Lenovo 等廠商也都有類似規劃，可以確定明年上半年智慧型手機與平板電腦的「四核心處理器大戰」將熱鬧登場。

▲在行動上網應用日漸普及之際，消費者對智慧型手持裝置運算能力的要求也水漲船高，雙核心應用處理器已是 2011 年高階產品的標準配備。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

用於手持性裝置上的雙核心處理器已經在今年得到消費者的普遍認同，也使得智慧型手機與平板電腦成為繼 PC 個人電腦之後，又一大量使用雙核心平行運算科技的消費性電子產品！在 20 世紀 1990 年代，個人電腦處理器製造商如 Intel 或 AMD 最早都選擇透過增加時脈速度來提高運算效能，但之後工程師發現一昧提升時脈速度將導致耗電量增加與散熱等問題、最終反而成為發展的瓶頸，直到 21 世紀初轉向多核心晶片的發展才漸漸克服前述問題。類似的發展歷史也在智慧型手機應用處理器上重演：為了使高階智慧型能有足夠的運算能力以執行大量應用軟體和第三方功能，智慧型手機處理器的時脈速度在最近五年突飛猛進。2006 年市場上的主流運算時脈速度約為德州儀器 TI OMAP 1 系列的 200 MHz 左右，到了 2010 年我們已見證手機處理器突破 1GHz 門檻的歷史時刻，1GHz 處理器晶片成為 2011 年所有中階以上智慧型手機的標準配備，高階產品則首次跨入了「雙核心處理器」時代，包括 Apple A5、TI OMAP 4、NVIDIA Tegra 2 或 Qualcomm Snapdragon Scorpion 系列都是雙核心處理器的代表產品。


▲除了性能出眾與節能之外，智慧型手機與平板電腦的處理器還需要縮小尺寸以滿足消費者對此類裝置輕薄短小的要求。（圖片來源：NVIDIA 官方資料）

新世代處理器的效率更高

多核心設計的應用處理器其好處顯而易見：應用處理器（Application Processor）晶片的耗能效率和性能不斷改進，但每一代晶片的進步卻在縮小，這個瓶頸從近幾年的電腦處理器演進趨勢就可看出。受功率束縛、產品開發和物理學的限制，朝向多核晶片方向發展是大勢所趨。以最早問世並開創四核心行動運算新時代的 NVIDIA Tegra 3 處理器為例，SoC 晶片內的四個主核心則專門為需要高效能運算的作業而設計，特殊的 vSMP 核心架構還有第五個 「協同」CPU（Companion Core）專門設計用來負責較不耗電的作業，如執行如聽音樂、播放影片或更新背景資料等任務時，Tegra 3 處理器會完全關閉四個高效能核心改而使用協同處理器。在執行高效能作業時，如瀏覽網頁、多工作業以及遊戲時 Tegra 3 處理器會關閉協同核心，更有效率的運算架構致使 Tegra 3 處理器的耗電量甚至低於其前身 Tegra 2 雙核心處理器。


▲使用多核心技術的晶片可提高運算速度 20% 至 30%，手機電池的待機時間則可延長 20% 至 30%。

另一方面，由於電池化學的技術進展有限，所有手持式電子裝置當今所遇到科技瓶頸幾乎都與續航時間有著密不可分的關係、而智慧型手機也不例外。與傳統的功能型手機（Feature Phone）相比，目前智慧型手機最受到消費者詬病的缺陷不外乎耗電量過大、待機時間短、通話時手機溫度偏高及性能不穩定等問題。要解決上述問題所牽涉的層面極為廣泛，但最關鍵的改良方案在於電池技術。而在電池芯遲遲無法推出更有效的解決方案之前，只能針對各個電子元件的耗能來改善，如改進基頻晶片（尺寸更小）的製程達到低耗能的目的、研發出更省電的新型高線性功率放大器 PA（Power Amplifier）等。使用多核技術的晶片可提高運算速度 20% 至 30%，手機電池的待機時間則可延長 20% 至 30%。


▲代號「Project Kal-El」的 Tegra 3 處理器不但是全球第一款 ARM Cortex-A9 架構四核心處理器，還可搭配 12 核 NVIDIA GeForce 圖形處理晶片（GPU）。（圖片來源：NVIDIA 官方資料）

NVIDIA Tegra 3 四核心處理器率先登場

雖然揚名於 3D 顯示晶片市場，NVIDIA（輝達）在評估了 Intel 個人電腦處理器發展藍圖後果斷將未來押注於手持性裝置。2011 年可說是 NVIDIA 進軍智慧型手機晶片市場取得突破性進展的關鍵年！該公司推出的 Tegra 2 雙核處理器不但被 Google 視為新一代 Android 系統測試機的標準配備，也得到了包括 ASUS、Acer、MOTO 及 LG 在內的品牌廠商大量採用。Tegra 2 這款處理器採用 SoC 單晶片架構，一舉整合雙核 ARM 處理器核心、圖形處理器、影像處理器、音效處理器、高畫質影像解碼器，還有一顆處理系統基本功能的 ARM7 處理器等多功能於單一晶片之中。

在 Tegra 2 雙核心處理器受到市場上的廣泛好評之後，日前 NVIDIA 又推出了代號「Project Kal-El」的 Tegra 3 四核心處理器，它不但是全球第一款 ARM Cortex-A9 架構四核心處理器，還可搭配 12 核 NVIDIA GeForce 圖形處理晶片（GPU）。在 Tegra 3 與 GeForce 兩者相輔相成之下，使用者在瀏覽支持 Adobe Flash Player 11.1、HTML5 以及 WebGL 等格式的網頁時速度更快，圖形顯示效果更是 Tegra 2 處理器的三倍，還可透過動態光源、物理效果與高解析度場景環境、加上 3D 立體顯像技術來營造更逼真的畫面影像。對數百萬經常在手持性裝置上玩遊戲的使用者來說，Tegra 3 處理器提供足以媲美電視遊戲主機的娛樂體驗，未來還可使用 NVIDIA 大受好評的「3D Vision」技術自動把 OpenGL 應用轉換成立體 3D 模式，讓使用者在手機螢幕或外接到大尺寸的 3D 電視上享受 3D 體驗。


▲全球首款搭載 NVIDIA Tegra 3 四核處理器的平板電腦，已確定是華碩推出的 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊變形平板！零件供應商透露華碩已經預訂了足夠的零件貨源用於在 12 月份生產 35 萬台 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊變形平板。

全球首款搭載 NVIDIA Tegra 3 四核處理器的平板電腦已確定是華碩推出的 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊變形平板！第一代 Eee Pad Transformer 問世後持續熱銷，是少數今年銷量能達百萬台的 Android 平板電腦產品。為了延續該系列產品的成功，華碩工程團隊很早就開始研發第二代 Eee Pad Transformer 的研發計劃，該款產品確定搭載四核心處理器及 Android 4.0 Ice Cream Sandwich 作業系統。零件供應商透露華碩已經預訂了足夠的零件貨源用於在 12 月份生產 35 萬台 ASUS Eee Pad Transformer Prime 至尊變形平板。

Apple A6 處理器可望採用 Cortex-A15 MPCore 架構

另一個今年率先使用雙核處理器的品牌廠商：Apple 也計畫在 2012 年初推出自行設計的 A6 四核心處理器！2011 年初 Apple 推出 iPad 2，該款產品在硬體上的最大升級就是換用代號 A5 的全新 1GHz 雙核處理器，這款處理器基於雙核心 ARM Cortex-A9 架構（由兩個 1GHz ARM Cortex-A9 晶片（即 A4 晶片組成），另外 iPad 2 也將圖形顯示晶片更新為 PowerVR SGX543，PowerVR SGX543 在相同頻率下則可達到每秒 3,500 萬個多邊形，像素填充率上升至 10 億並將支持 Apple 大力支持的 OpenCL 通用計算標準。雙核處理器與新款圖形顯示晶片搭配的結果是運算性能提升了 100% 以上、圖形處理能力更是 9 倍於第一代 iPad。


▲如果關於 Apple iPad 3 螢幕解析度將大幅提高 300% 的傳聞屬實，則透過四核處理器提升圖形顯示效能將成為必需。（圖片來源：Apple 發表會側錄）

雖然 iPad 2 仍持續熱消，Apple 工程團隊已完成了代號為「J2」的下一代 iPad 研發工作，日前 CNET 新聞網站援引 DisplaySearch 分析師 Richard Shim 的評論並透露 iPad 3 將使用的 10 英吋 2048 x 1536 像素液晶螢幕已開始生產。如果關於 iPad 3 螢幕解析度將大幅提高 300% 的傳聞屬實，則透過四核處理器提升圖形顯示效能將成為必需，加以隨著新世代 iOS 5 加入實現每天自動備份資料的 iCloud 服務及整合語音辨識及軟體代理人（Software Agent）科技的 Siri 語音辨識功能，2012 年問世的 iOS 產品勢必需要更上一層樓的運算能力。目前可以確定的是 Apple A6 處理器仍為 ARM 架構、而且很可能會採用 ARM 最新推出的 Cortex-A15 MPCore 架構，該架構基於 ARMv7-A Cortex 微架構，在單個晶片內整合 1 至 4 個 SMP 處理核心。外界傳言 Cortex-A15 架構相對上一代 Cortex-A9 架構性能提升幅度達到 100%，可在同等功耗水準上達到 5 倍的性能提升。預料 Apple 有望充分利用四核晶片的性能優勢，幫助新款 iPad 完成與 PC 個人電腦更為接近的多工處理（Multitasking）操作體驗。


▲外界傳言 Cortex-A15 架構相對上一代 Cortex-A9 架構性能提升幅度達到 100%，可在同等功耗水準上達到 5 倍的性能提升。（圖片來源：ARM 官方資料）

高通寄望 Snapdragon S4 系列收復過去失地

不同於急於進入市場的 NVIDIA，另外兩家智慧型手機處理器主流製造商 Qualcomm（高通）及 TI（德州儀器）選擇直接跳過推出 Cortex-A9 架構、計畫在明年第二季明年推出採用 Cortex-A15 架構的四核應用處理器。其中 Qualcomm 已於日前發表基於 Krait 架構的 Snapdragon S4 家族系列處理器的產品藍圖，包括之前公布的 APQ8064 在內共有10多個不同衍生型號，Snapdragon S4 家族涵蓋雙核與四核應用處理器兩種設計方案。基於 Qualcomm 自行研發有別於 ARM 標準架構的 Krait 架構和 28nm 製程工藝，還支持微軟 Windows 8 和 Google Android 兩大主流系統平台。

全球通信晶片市場的領導廠商 Qualcomm 是 1985 年由 7 位有識之士在 Irwin Jacobs 博士於美國聖地牙哥的家中決定創立。其英文名稱 Qualcomm 源於「Quality Communications」的簡寫，也清楚說明了公司創辦人希望讓高品質的通訊科技能成為推送整個社會發展的動力。走過創業之初的艱辛之後，Qualcomm 在行動通信革命浪潮中快速成長，早期的 GSM 規格專利費結構以主要專利持有人之間的低成本或免費交叉許可為基礎，這種結構使少數幾家通信巨頭壟斷市場並阻礙了新廠商的加入、進而減少消費者的選擇。而 Qualcomm 在 CDMA2000 和 WCDMA 規格的通信市場上推動低於手機批發價格 5% 的專利費幫助為數眾多的廠商（超過 135 家授權廠商）打入行動通信市場，可說是全球邁入 3G 通信時代的重要推手。


▲與其他競爭對手不同的是，Qualcomm 推出的「基頻處理器 + 應用處理器」完整方案讓智慧型手機廠商在節省採購成本之餘還縮短產品研發時間。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

在智慧型手機晶片市場上，Qualcomm 推出的 Snapdragon 平台早已成為高階機種的首選方案之一，全球第一款 1GHz 智慧型手機：Toshiba TG01 就是採用 Snapdragon QSD8250 處理器。與其他競爭對手不同的是，Qualcomm 推出的「基頻處理器 + 應用處理器」完整方案讓智慧型手機廠商在節省採購成本之餘還縮短產品研發時間，最具代表性的例子就是目前 Qualcomm 在智慧型手機市場上最重要的品牌客戶 HTC。

雖然在高運算時脈單核處理器市場佔有明顯優勢，Qualcomm 搶佔雙核處理器市場時卻遭遇不少挑戰，由於採用 Scorpion 架構的 Snapdragon 雙核處理器其性能不及採用 Cortex-A9 架構的 NVIDIA Tegra 2，這導致 NVIDIA 吞食了大部分 Android 陣營平板市場用晶片。Qualcomm 於 2011 年 11 月發表的 Snapdragon S4 家族高階產品就是為了迎戰 NVIDIA Tegra 3 所準備。針對過去外界對 Qualcomm 頗為詬病的「圖形顯示晶片性能較差導致遊戲性能不及對手」劣勢，Qualcomm 也積極收復先前被 NVIDIA 搶走的市場。日前 Qualcomm 宣布將在 Android Market 官方市場上推出 100 個以上的遊戲應用軟體，這些應用軟體將被標注「Snapdragon GameCommand」並僅提供給 Snapdragon 處理器的用戶下載。預料 2012 年 Qualcomm 在智慧型手機處理器市場的動作將非常積極，筆者也將在日後專門撰文進行仔細分析。


▲Qualcomm 自行研發有別於 ARM 標準架構的 Krait 架構和 28nm 製程工藝，還支持微軟 Windows 8 和 Google Android 兩大主流系統平台。（圖片來源：Qualcomm 官方資料）

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