效能与省电平衡,才是个人行动装置未来主流
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效能与省电平衡,才是个人行动装置未来主流

日前在荷兰阿姆斯特丹举行的 Casual Connect 会议上,ARM 生态总监(Eco system)Nizar Romdan 认为,与 NVIDIA、Samsung 和 Texas Instruments 合作的产品,将会让 PlayStation 4(PS4)与 Xbox One 在 2017 年底前失色。其最主要的观察来自半导体技术的快速进步,透过製程与计算机架构的改善,将可以在手机上营造出跟电视游乐器相同的影音效果,换句话说,按照他的观察,2018 年以后,理论上手机就可以执行 PS4 等游戏软体,并拥有毫不逊色的使用者体验。但理论归理论,实务上真正的体验还是会受限于电池体积与散热问题,在手机上执行无法得到与用电视游乐器玩的相同效果。

新的应用效能超过过去主流的装置并不是一件新奇的事,电视游乐器诞生之后,也曾有段时期效能会超过当时的主流应用──个人电脑(PC)。例如 2000 年推出之 Play Station 2(PS2)里面的 Emotion Engine,当年的效能就大幅超越同年 Intel 的 Pentium III,其甚至大到被美国政府列为军事管制的物品,担心某些敏感国家将其运用于核弹以及弹道飞弹轨迹的模拟­而禁止出口。如今,个人行动装置(包括智慧型手机与平板电脑)的潮流成为人类历史上最快速普遍的物品,人们对于它们的兴趣远高于对电视游乐器或是 PC,故对于其核心运算效能的追求自然也非常重视。

电池容量与散热问题受限于实体体积

纵使理论上 ARM 的最高阶 A 系列 CPU 纯就理论上已经可以追上 PS4 等的运算效能,但实际却无法拥有相同的使用者体验,原因在于电池与散热。高效能的计算同时来自高耗电,个人行动装置有其在实体世界携带的需要性,尤其对于手机而言,常常目标在于能放进口袋的实体大小,故电池体积容量几乎已到了极限,而电池储电密度年成长又极度有限情况下,如果运算的耗电量继续大幅成长,就得牺牲使用时间,这将对一般使用者造成巨大的不便。

除电池因素之外,另一个阻碍计算效能成长的原因就是散热问题。散热问题与高耗电量是一体两面,消耗的电能转换成热能,在 PC 或是电视游乐器当中,有相对足够大的空间可以放置风扇传导出热能,但在手机上却受限于体积大小,无法装置大的风扇。尤其在现行个人行动装置的架构下,为了腾出空间(不管是为了整体工业设计造型或是为了挤出更多空间放电池)应用处理器(Application Processor,AP)常常与行动记忆体(Low Power DDR DRAM)整合在一起,常见方式为记忆体以封装上封装(Package on Package,POP)堆叠在 AP 之上,这将导致 AP 无法很快的将热能传出,且由于 DRAM 用电容储存资料的特性,高温将会导致记忆体控制器或是记忆体本身电路需要缩短时间去不断刷新(Fresh)内部阵列(Array)资料此将导致记忆体的耗电量跟着大增,更加恶化整体的整体系统待机时间。

Intel 目标着重低功耗

Intel 从过去靠着设计 PC 的 CPU 起家,效能不断精进的结果,在 2000 年初期陆续打败了在工作站、伺服器中称王的纯 RISC CPU,例如 SUN 的 Sparc 与 PowerPC 联盟等,稳坐 CPU 效能的冠军,但随着 PC 的出货量成长性不再,甚至一路下滑。人们不在一味只追求效能,同时再加上智慧型手机的崛起,对于待机时间的要求远大于效能的成长,为了专注于这个爆发的市场,Intel 特别重新设计了一颗与传统桌上型微架构不同的 CPU-Atom。Atom 虽然与桌上型现有架构 Core皆使用自 Pentium Pro 以来以 RISC 核心模拟的 x86 方式,但为了减少电晶体数目,也同时可以减少待机时间的漏电流(Leakage Current),拿掉了许多複杂的功能,例如 reorder & speculative execution 等。到了 2013 年,许多对于功耗与成本更敏感的物联网(IoT)应用兴起,Intel 再度开发更低成本的 Quark 处理器,其架构甚至拿掉 1993 年 Pentium 以来都具有的 superscalar 技术,回归 80486 单一管线。

ARM 追求效能的极大

ARM 一直以来都在嵌入(Embedded)市场与主流桌上型的 Intel 互别苗头,随着行动市场的爆发,ARM 简单架构在省电与成本上一直领先 Intel。但对于行动运算的应用需要持续成长,ARM 也在其 Cortex-A 效能系列加入了 Out of Order Execution 或是 Superscalar 等複杂架构,甚至纳入了多核心 big.LITTLE,藉由不同终端应用模式使用不同效能的核心运算。但为了效能与省电的平衡势必造就设计的複杂度,如果 CPU 的架构与设计工程师一不小心即可能让高通(Qualcomm)骁龙(Snapdragon)810 过热的历史重演。

效能与省电的平衡才是未来主流

从 Intel 为了行动装置提出较简易架构的产品的历史可知,行动装置运算未来的发展绝不只是发展计算机架构技术与拉高时脉,其犹如在效能与省电之间的钢索上前进,想要克服先天体积限制所造成电力持久与散热的问题,仍需新的材料与技术发展,来因应类似虚拟实境(VR)或扩增实境(AR)这种更需大量图像计算、更耗功耗的行动装置。

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