9eb2fa2c8336070f0d1514d87788f49f 打從行動裝置出現後,SoC這名詞就大幅出現在人們眼前。然而SoC到底是什麼?說穿了也不是個新的概念或是想法,甚至早就出現在人們的生活中而不自知罷了。除了ARM架構的SoC之外,x86陣營的老大哥們AMDIntel也在準備讓SoC進入零售領域,但SoC設計到底有什麼魅力與價值?看下去就知道。

SoC即為系統單晶片

SoC的全名為System On a Chip,中文稱為系統單晶片。在我們熟知的PC當中,除了CPU之外還會有北橋(North Bridge)晶片與南橋(South Bridge)晶片,後來北橋晶片負責的記憶體溝通功能被CPU取代。因而現在主流的x86主機板上,只看得到南橋看不到北橋。

但系統整合的步伐不會這樣就停止,Intel與AMD的最終目的會讓CPU整合主機板上多數晶片的功能。現在AMD的Kabini搭配的AM1主機板上,就只有CPU插槽而不見南北橋晶片。這類Kabini的CPU即為SoC也就是系統單晶片,光靠1顆CPU就能搞定所有的運算與I/O。

優點是精簡、微型化

單晶片有些什麼好處?顯而易見的就是微型化。傳統電腦為了配置CPU、南北橋等晶片,需要不小的PCB(Printed Circuit Board,印刷電路板)空間。SoC只需要單晶片的安裝空間,甚至有些SoC還不需要主動散熱器,更能節省PC內的運用空間。節省下來的空間,不僅能讓裝置更迷你,也能讓節省下來的空間安裝更多的元件,增加裝置的額外功能。

其實這類SoC產品早就在生活中隨處可見,像是部分購票機、點餐機等嵌入式系統(Embedded system)都是這類設計。或是所謂智慧電視、NAS等也都是SoC的設計架構,這類SoC亦稱為NPU(Network Processing Unit,網路處理器)、MPU(Micro Processing Unit,微處理器)。

以往這類低功耗、單晶片產品曾被玩家嫌到不行,不僅效能與行動版甚至桌上型落差極為明顯,功耗不見得有多麼出色,更重要的是價位不會特別便宜,除非有特殊用途否則鮮少有人會選擇效能較差的SoC產品。但時代在變,技術持續演進,當年的醜小鴨或許就是明天的天鵝,SoC設計有這麼不堪嗎?這倒不見得。

超低功耗x86正流行

雖然SoC架構的產品隨處可見,但遺憾地幾乎都是ARM的天下。x86在這場戰爭當中太晚進入市場,加上早期x86架構的產品功耗等規格不符預期,即便擁有較高的效能,仍不敵大量平價且低工耗的ARM產品。而x86的2大龍頭AMD與Intel前幾年早已計畫進入行動裝置等市場,但卡在廠商、技術等關鍵因素,至今仍未讓世人熟知。

台灣市場方面,至今Intel才透過華碩的Zenfone等產品大舉進軍行動市場。至於AMD雖早已曝光開發代號為Kabini與Temash的APU,但直到最近隨著AM1腳位的主機板才廣為人知。接下來我們先來了解AMD與Intel雙方近年的SoC與行動市場發展,再來看實際產品的效能表現。

關鍵字:APU

APU是Accelerated Processing Unit的縮寫,也就是加速處理器,是AMD使用的CPU品牌,有E與A系列。APU歷經多代的變革,共有Llano、Ontario、Zacate、Trinity、Richland、Kabini、Temash、Kaveri以及剛解禁的Beema與Mullins。

AMD歷史從Brazos說起

AMD旗下2大產品線,其一是CPU,其二則是GPU。CPU產品線中又可分為桌上型與行動版CPU,而從2011年之後,行動版CPU正式分割為Mainstream Notebook與ULP Notebook/Tablet(ULP:Ultra Low Power)產品線。前者是大眾常見的標準筆電,後者則是以Brazos平台為首的低功耗筆電與平板。

若要說AMD在SoC的發展,那得從剛剛提到的Brazos平台開始說起,Brazos平台是該產品線首個系列,發表時間為2011年,但並非採用SoC架構仍保有南橋晶片。Brazos平台轄下有40nm製程的Ontario(C系列)與Zacate(E系列),前者為TDP為9W的超低功耗APU,用於Netbook或小型PC上。後者則是我們熟知的E系列APU,TPD為18W,用於主流平台、AIO(All in One PC)或是低功耗筆電上。

Brazos平台採用的GPU是Radeon HD 6310、HD 6250,相信部分讀者在媒體上看過搭載E系列Zacate的主流筆電或小筆電,或許也想要弄台GPU效能較佳的輕薄筆電,不過台灣市面上的能見度相對於國外較低,也是AMD比較可惜的地方。

橘色的是主流筆電CPU的功耗,而紅色則是低電壓筆電與平板CPU的功耗。電力效率一直是Intel與AMD近年宣傳的重點,而這類SoC產品大多也不負眾望,在號電量方面遠低於目前主流平台。

些微更新的Brazos 2.0

相較於老大哥或小老弟,2012年AMD發表的Brazos 2.0氣勢就有點弱,沒有響亮的名稱加持,效能方面功耗降低、搭配新的HD 7000系列GPU、支援Steady Video與Quick Stream,最重要是並加入2個USB 3.0。Brazos 2.0平台當年與初代Brazos高低搭配,高階由Brazos 2.0負責,入門則是Brazos且依然有C與E系列,並有如Z-01這類最入門的產品。假想敵依然是Intel的入門系列,像是Pentium、Celeron、Atom還有Atom Z系列。不過Brazos 2.0畢竟是過渡產品,到了2013年就立刻交棒給Kabini與Temash。

4個第一的Kabini世代

落後了7年終於追上Intel,我想絕大多數AMD玩家都會有這樣的感慨。Kabini與Temash在AMD歷史上肯定是重要的里程碑,首先Kabini與Temash首度使用28nm製程、首次使用Jaguar架構、首度搭載GCN架構GPU、首款業界x86架構SoC。這麼多個里程碑,似乎讓人看到AMD當年的風光。不過領先的光環持續時間並不長,才約半個月Intel就拿出同樣是SoC設計架構的Core i5-4200U、Core i7-4500U等CPU,反將AMD一軍,但Kabini與Temash這麼不堪嗎?也並沒有這麼簡單。

從Kabini與Temash開始,APU產品線除了桌上型與行動版外,行動版更區分成主流筆電、輕薄筆電用的Kabini,以及Temash代表的行動裝置產品線。Kabini當年甚至是現在,定位大多是主流筆電與小型PC、AIO等產品,甚至是各類變型產品上,CPU與GPU效能具備一定的水準。

然而Temash效能略遜於Kabini,最初假想敵是Core i3到Pentium之間的空檔,畢竟Atom最初的效能並不算好,瞄準Intel的軟肋的確有其意義。加上Temash搭載的是HD 8000系列GPU,相較於同級Intel產品搭載的GPU,還是有相當的殺傷力。但產品賣不賣得動,靠的不僅是本身的好壞,更要靠行銷與通路配合。Kabini與Temash產品雖然讓人好奇,但台灣的市場能見度真的不高,自然也就說不上產品熱不熱這件事。

關鍵字:南北橋

北橋與南橋晶片皆為主機板晶片組,北橋大多負責CPU、記憶體、AGP、PCI-E與南橋之間訊號的傳遞。南橋則整合多數周邊介面,像是SATA、USB、網路、音效等。從FM1與LGA 1156時代之後,CPU已經整合北橋的功能,並把傳統南橋晶片改名,Intel稱為PCH((Platform Controller Hub),AMD則是命名為FCH(Fusion Controller Hub),但功能沒有太大的改變。

內建Cortex-A5的Beema與Mullins

AMD在SoC領域當中,目前最新進度是4月29日剛解禁的Beema與Mullins系列,將分別取代Kabini與Temash的位子。這次新平台除了規格提升外,CPU從Jaguar架構改為Puma+架構,GPU同樣使用GCN架構的產品,確切型號仍未公佈,僅了解有Radeon R2、R3、R4、R6產品線。

比較特別的是,這次Beema與Mullins的晶片封裝中,除了CPU、GPU等核心架構外,外加了PSP(Platform Security Processor,平台安全處理器),它是個採用Cortex-A5架構的內建核心。等於是在x86為主的核心架構封裝中,內嵌了1顆ARM架構的CPU用於安全管理,也就是ARM所謂的TrustZone技術。

ARM與x86混合而生

AMD在Beema與Mullins的嘗試相當大膽,在傳統x86架構的晶片當中,同時封裝了用於安全管理的ARM架構的Cortex-A5。該設計主要是為了藉助於ARM在安全管理上的優勢,藉此對抗Intel的TPM(Trusted Platform Module)等安全技術。

SoC設計必然整合了大量的電子原件,Beema與Mullins內使用Puma+核心,且內嵌了PSP(Platform Security Processor,平台安全處理器)。從設計圖中,不難看出這幾乎就是原先CPU加上主機板的輸出組合,像是PCI-E、USB、SATA等全都具備。

Mullins核心架構

Mullins是實體四核心SoC,其中黃色部分即為用於安全管理的Cortex-A5。核心封裝當中,佔據面積最大的仍是GPU,接著才是FCH與CPU。根據AMD的說法,內部VCE單元與Display距離較近,能減少訊號傳遞的延遲,對於無線或有線影像輸出都有效果。

新款SoC上的GPU並無太大的更動,主要是藉由時脈提升達到效能精進的目的,預計會搭配Radeon R2、R3、R4、R6產品線。

雙模式的TrustZone

TrustZone技術歷史已久,簡單來說TrustZone有2個工作模式,其一為正常模式ARM稱其為Normal World,也就是Rich Execution Environment(REE)。另一個則是安全模式的Secure World,並稱為Trusted Execution Environment(TEE)。這2個模式都是整合於同個CPU當中,也就是剛剛說過的AMD內嵌的PSP晶片Cortex-A5。

聽起來REE與TEE環境,好像是讓CPU有2個執行緒同時運作,實則不然,其實只有單執行緒,並視情況在2個環境當中切換罷了。當有需要保密或重視安全的資料要處理(如手機SIM卡),則會在Secure World運作,透過2個模式的切換避免資料外洩或系統被破壞。因為存在Normal World的病毒,無法破壞或讀取Secure World的記憶體資料。

為什麼AMD要整合Cortex-A5在新的SoC當中?過去AMD平台相對缺乏硬體式的安全管理機制,透過整合就能快速地達到抗衡TPM、IPT( Identity Protection Technology,身分辨識保護技術)等技術的目標。且採用40nm製程的Cortex-A5面積約1m㎡,對於APU的影響較小,甚至能比AMD自行開發還要省時省力,整合自然就是當下最佳解決方案。至於Windows 8可支援ARM的TrustZone,則可能也是影響AMD合作的關鍵因素之一。 

關鍵字:TrustZone

依照AMD的設計TrustZone技術會將需要保密的資料與一般資料做出區隔,需要保密的透過Cortex-A5(即PSP)處理,反之則透過AMD的APU運算。圖中橘色的即為需要防護的防毒軟體、電子錢包等資料處理流,而藍綠色的即為一般遊戲、上網等處理環境。但像是上網可能牽扯到資訊安全,則會在透過TrustZone之後,將資料傳給PSP晶片處理。TrustZone是介於作業系統與韌體之間的層級,而底端則是AMD與ARM各自的CPU。

PSP晶片面積很小,僅佔據SoC很小的空間,但其中仍具備獨立運作的各種資源與元件。

低功耗與主流雙平台

繼續回到現在的主角Beema與Mullins,Beema主打筆電、AIO等市場,Mullins則是迷你PC或行動裝置。兩者都有低功耗的特性,Beema預計有E1、E2、A4、A6產品線,包括E1-6010、E2-6110、A4-6210、A6-6310等型號。TDP大多在10~15W之間,且除E1外都是四核心架構。Mullins將用於行動平台,可預見效能會比較差,但TDP也會比Beema更低。共計有E1、A4、A10等產品線,如E1 Micro-6200T、A4 Micro-6400T、A10 Micro-6700T等型號,TDP只有4.5W甚至是3.95W。

根據AMD的數據,若將Beema與Kabini相比,電子閱讀、上網瀏覽、1080p影片播放等環境,大約有20%的功耗降低幅度,可望提升平台的續航力。至於效能方面,很遺憾地,AMD的絕大多數產品都僅止於規劃,即便有廠商推出,這類型產品也鮮少出現在台灣市場上。以APU的特性來說,CPU與GPU的平衡性相當不錯,相信對於重視性價比的台灣消費者來說會是有吸引力的產品,但可選購產品少於Intel陣營,一直是無解的問題。

從Mullins的功能方塊圖中,不難看出SoC已經整合大量輸出入I/O。至於內部,PSP也成為重要的組成之一。

前後代產品相比,Beema在功耗上仍有不小的進步。

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則