嵌入式CPU/GPU迈向低耗多核异质架构

AMD/Imagination/Intel/VIA等厂商仍持续推出多核低耗嵌入式处理器(AMD/Imagination/Intel/VIA)

过去嵌入式系统因考量被嵌入的机台╱装置之体积空间，而尽可能选择低功耗、仅有散热片设计的处理器、系统或周边芯片。若从架构、运算效能╱功耗区分，高端嵌入式处理器其规格跟通用型处理器无分轩轾，具备多核心、大容量快取、强化╱整合网络周边芯片，系统功耗从30？100W以上都有，供微型服务器、储存装置使用。

中端嵌入式处理器功耗则在15~70W不等，针对像游戏机╱博奕机台、网通设备、数码家庭等装置。入门嵌入式处理器功耗一般在15W以下，具备简易联网功能，可提供嵌入式开发套件或嵌入机台做人机界面(HMI)；当功耗低于2W的低功耗嵌入式处理器，则用于RFID、Wireless Sensor无线传感、居家情境控制等，也有些厂家以200MHz/2W以下且具备较强周边╱动作控制电路的低功耗嵌入式处理器分类，另以微控制器(Micro Controller Unit；MCU)称呼之。

嵌入式处理器市场 ARM架构对决X86阵营

安谋国际(ARM)挟应用处理器核心市场的市占优势，在嵌入式处理器矽智财(IP)市场快步崛起。旗下Cortex-M0、M0+、M3、M4以及Cortex-R4/R5/R7两大系列的嵌入式处理器核心，以不同运算核心╱功耗╱指令集的弹性化配置，广获各嵌入式处理器制造商如意法(ST)、德仪(TI)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、联发科(MediaTek)、辉达(NVIDIA)等采用，顺势渗透协同处理器(Co- processor)、移动设备配件、智能汽车、智能家庭、固态硬盘(SSD)储存设备及各种物联网(IoT)装置；而ARM的64位元处理器也瞄准微型服务器的应用领域，且获得超微(AMD)、高通、联发科、辉达等大厂的采用。

而从PC/NB x86架构延伸出来的嵌入式处理器，则有英特尔(Intel)/超微(AND)/威盛(VIA)/国家半导体(NS)等架构阵营，在工厂自动化╱工控电脑上较为普遍。

像芯科(Silicon Labs)以ARM Cortex M0/M0+架构的EFM32 Zero Gecko MCU，能与环境侦测器等做介接，搭配长效锂电池与太阳能光电板，达到10~20年无须换电池的传感应用；NXP推出ARM Cortex M0/M3/M4处理器架构的LPC Go/LPC Connect/LPC Turbo/LPC Command系列嵌入式微控制器，协助业者开发出POS机、自动收费、电子化政府、机顶盒，以及工厂自动化、HMI人机界面、电梯╱升降梯控制、触控产品、智能网格╱电表、室内外智能照明等应用。

拓朗半导体(Altera)和赛灵思(Xilinx)两家FPGA商，已陆续推出整合多核心中央处理器(CPU)、数码信号处理器(DSP)和Intel Atom、ARM微控制器等运算核心的SoC FPGA(可程序化逻辑闸阵列)，做为工厂自动化结合可程序控制器(PLC)、动作控制(Motion I/O Unit)单元等自动化的嵌入式系统的应用。

在2012年6月，超微半导体(AMD)联合安谋(ARM)、三星(Samsung)、高通(Qualcomm)、德仪(TI)与联发科(Mediatek)等处理器大厂，成立非营利的异质系统架构基金会(HSA Foundation)，从矽智财(Silicon IP)到软件开发商等建立完整异质性运算的产业链。2014年起，针对精简型电脑、汽车娱乐设备、POS、STB/IP TV机顶盒╱网络电视盒等低功耗市场，推出Embedded-G GX-2xx(双核)到GX-4xx(四核)编号的APU(加速处理器)。

以最顶级GX-420A为例，采取四核心、2GHz Jaguar CPU核心，内建600MHz Radeon HD8400E(Sea Islands等级)的GPU，支持DDR3-1600，设计功率5？25 W。随后将推出代号Hierofalcon(猎鹰)的CPU单芯片，将首度结合四至八核的64位元ARM Cortex-A57处理器核心架构，并整合10 Gigabit以太网络控制器，设计功率仅15？30W，将成为安谋架构首度强攻高端云端运算服务器等应用市场的第一个滩头堡。

虽然x86架构CPU仍占全体处理器市场销售额69%，但面对ARM的步步进逼，微处理器龙头英特尔(Intel)，以过去类似Pentium MMX(P55)为微核心架构的Atom(凌动)处理器，分别针对嵌入式应用、平板电脑、智能手机等市场，来阻却安谋阵营的攻城掠地。Intel所推出第四代架构的Atom处理器E3800(代号Bay Trail)，以领先业界的22nm制程技术搭配3D立体闸极晶体管制造，具备四核心架构，内建2MB L2 Cache设计，工作时脉频率为1.91GHz；以Silvermont微架构为基础的SoC平台规划下，涵盖高I/O连线能力、整合存储器控制器以及内建的安全功能，系统热功耗设计(TDP)为5？10W。

英特尔嵌入式Atom处理器，可应用于数码招牌、交互式用户端(如交互式信息柜台、智能贩卖机、ATM 和POS终端机)、可携式医疗装置、工业控制系统，以及车用信息娱乐(IVI)系统。另外，英特尔在CES 2014首度公开仅一张SD卡大小的双核微型电脑平台－Edison，内嵌一颗22nm制程打造，时脉仅400MHz的Quark处理器，整合Wi-Fi与蓝牙射频模块，瞄准物联网、无线传感与穿戴式装置商机。

威盛即将推出一款采x86 架构设计的64bit处理器－代号Isaiah II，以四核心共享2MB L2快取存储器设计，工作时脉为2.0GHz，其预计效能将以英特尔(Intel)的Atom E3800(Bay Trail)、AMD Kabini APU产品相近。

Microchip瞄准物联网应用的PIC32MZ微控制器系列，以200MHz频率下提供330 DMIPS及3.28 CoreMarks/MHz的执行效能，每秒取样频率达28M的12bit ADC设计，并提供MPLAB Harmony跨厂商整合式开发框架，所有内建或第三方中介软件、驱动程序、周边函式数库和RTOS等软件元件，彼此和谐共存并确保能相互运作；一切程序码、再授权与技术支持均透过Microchip达到一站式购足(One-Stop Shop)的服务，辅以完整的入门开发套件、周边套件以及开发工程板，可创造、开发出许多过去无法想像的嵌入式智能应用。

Imagination Technologies新推出的以并购MIPS原有的Aptiva微处理器系列产品的矽智财IP为基础，于11月中旬技术高峰会中，正式发表MIPS Series 5 Warrior系列处理器，涵盖P-Class、M-Class，以及最新发布的64位元I-Class 3个系列。首次亮相的I-class I6400 CPU是第一款结合64位元架构与硬件虚拟化技术的IP核心，透过多执行绪、多核心与多丛集一致处理(multi-cluster coherent processing)技术，提供可弹性延展的效能。

P-Class的P5600核心具备高效能快取一致性、硬件虚拟化、128位元SIMD，包含增强虚拟位址(EVA)和延伸实体位址(XPA)特性，以确保未来时代产品的可扩充性，加上为最大化SoC系统效能进行的重大微架构最佳化设计。同时P5600亦可支持多核心配置，每个丛集最多为6个核心。

M-Class则是全球首款一款内建硬件虚拟化电路技术的微控制器(MCU)级CPU IP核心，可为各种入门级应用带来全新的灵活性、安全性与可靠性。