因应高效能、低功耗移动设备的多核心处理平台设计

iPad运用多核心技术，加速改善新产品效能问题。Apple

移动设备、智能手机对运算效能要求持续增加，现今嵌入式系统应用不只重视效能，更要同时兼顾用户的操作体验，使用大量3D、视觉效果的系统架构也让嵌入式系统运行要求更加严苛，发展多核心、支持对称式多重处理的嵌入式系统平台，可在现有应用中提供一个绝佳的运算性能改善方案...

多核心、对称式多重处理(Symmetric multiprocessing；SMP)的应用方向，近来大量用于智能移动电话、平板电脑中，新产品大多采行多核心整合处理器来建构运行平台，而多核心嵌入式处理器亦成为新款高效能移动设备产品的代名词。

在嵌入式系统导入多核心处理器，同时让运行效能提升，实际上并非易事，因为多核处理器与对称式多重处理技术，在嵌入式应用环境缺乏完善的SMP系统软件支持，使得这类整合多核心、多重处理技术的产品，若想达到效能大幅倍增的效益，可能要花更多功夫进行产品整合，甚至会出现效能增加幅度不大、系统核心元件功耗却增加的问题。

多核心、对称式多重处理设计难度高

事实上，多核心技术以往多用于服务器、大型电脑或PC(Personal computer)领域，在这类系统硬件资源相对丰厚的运行平台，透过多核心处理器达到单一主机效能的大幅跃升，已经是目前的市场产品设计主流。但在移动应用产品方面，导入多核心应用方案难度却大幅增加。应用多核心处理器方案，最大设计目的在提升系统运行效能、减轻嵌入式设计方案整体的运行负荷，让多核心可以分摊繁杂的运算要求。但理想的运行架构是如此，事实上SMP技术极其复杂，尤其在如何有效分配处理程序方面的技术，PC产品是花了超过5年时间才将服务器SMP技术整合到一般应用，嵌入式应用还须将SMP技术于系统平台进行最佳化。

以智能手机应用为例，基本上电信服务核心应用的简讯、拨号操作，必须是优先权最高的使用行为，而简讯、电子邮件、音乐、网络浏览应用、GPS定位...等次要操作，也必须在维持核心功能的同时达到稳定与不延迟的操作体验。但现实的状况却不是如此，嵌入式系统必须同时考量效能、元件尺寸、电源功耗...诸多开发因素，而其中效能的关键则是嵌入式系统对执行工作量的动态调配与预测执行指令，若SMP效率不彰，也会使多核心架构的实用价值减低。

多核心系统架构的电源管理问题

多核心设计最大的问题在于，单颗核心可以很容易进行电源管控，而当双核心系统架构的耗能几乎等于倍增，在有限的IC面积上等于让散热问题放大，不仅功耗问题会让设计复杂度增加，电源管理设计也成为新挑战。多核心嵌入式平台则在最新的电源管理方面，善用电源管理架构，透过利用原则管理器(Policy Management)、资源管理器(Resource Management)找出SoC整体最佳运行配置，充分利用不同的运行模式使运行环境因应不同的电源管理型态，这也是多核心平台的电源管理架构特点。

在单核心系统平台应用环境下，嵌入式系统面临的效能瓶颈，几乎都是卡在核心多功能处理器的时脉速度差异，而目前多核心(双核心)解决方案，只要SMP核心技术可达到水准表现，让智能移动电话在同一时间处理简讯、音乐、影片播放与收/送电子邮件等繁复操作，即可让多核心优势充分显现，不至于让处理中的工作影响新执行的工作项目，但这也有赖SMP的管理效益达到基本要求，才能使多核的效能优势充分发挥。

善用媒体处理器、多线程软件架构 提升产品表现效能

除了多核心通用处理器解决方案外，多数移动设备会用到的大量CPU运算工作，应不至于需要全数集中在通用处理器进行，若从多媒体应用角度观察，如视讯、影像、照相、音乐...等应用，可善用多媒体硬件解码芯片或DSP进行处理，或是硬件加速形式改善影音解码效能，不须把所有运算效能全部耗在多媒体解码、播放应用上，让多媒体应用表现更令人满意。

移动设备最令使用者关注的，除了是单一影音、视讯的播放效能外，网页浏览表现也是移动产品的关键应用考量！以网络浏览来说，目前最占系统效能的应用以YouTube网络视讯播放最为繁重，另外还有Flash影音、网页大量Tab页面切换...等操作形式，而这类应用大量考验多线程执行系统设计架构，必须优化SMP才能获得较佳使用体验。

例如，Google的Android版Chrome浏览器，即采多线程处理技术，多线程处理可强化SMP操作，这类技术运用在移动设备可让多组程序在智能手机系统单芯片(SoC)中同时执行，从使用者角度来看，只要使用多线程架构便能同时执行多组应用APP。

功耗管理问题仍是多核平台最大的设计挑战

在实际的应用场合，大型PC、服务器采行的SMP技术，较不会考量系统的实时反应效能，但场景转换至嵌入式装置的SMP应用，SMP不只要助益运行程序，对于装置的实时反馈操作体验，还必须维持一定的反应效能，这对于嵌入式SMP系统设计又是更大的考验。

尤其在功耗管理方面，若是以PC、服务器为平台的SMP架构，因为本身运行效能即十分充沛，实时互动的效能反应根本不是问题，反观在智能手机这类嵌入式平台设计中，产品必须能快速关闭不需要的多媒体处理器、DSP，来降低整体系统的耗电。另外，系统还必须针对用户的多媒体播放需求，快速唤醒对应的多媒体处理器、DSP，而硬件或SoC区块功能的唤醒时间长短，便会影响产品的操作体验。