效能與省電平衡,才是個人行動裝置未來主流

作者 | 發布日期 2016 年 02 月 23 日 6:30 | 分類 手機 , 晶片 , 電池 follow us in feedly

日前在荷蘭阿姆斯特丹舉行的 Casual Connect 會議上,ARM 生態總監(Eco system)Nizar Romdan 認為,與 NVIDIA、Samsung 和 Texas Instruments 合作的產品,將會讓 PlayStation 4(PS4)與 Xbox One 在 2017 年底前失色。其最主要的觀察來自半導體技術的快速進步,透過製程與計算機架構的改善,將可以在手機上營造出跟電視遊樂器相同的影音效果,換句話說,按照他的觀察,2018 年以後,理論上手機就可以執行 PS4 等遊戲軟體,並擁有毫不遜色的使用者體驗。但理論歸理論,實務上真正的體驗還是會受限於電池體積與散熱問題,在手機上執行無法得到與用電視遊樂器玩的相同效果。




新的應用效能超過過去主流的裝置並不是一件新奇的事,電視遊樂器誕生之後,也曾有段時期效能會超過當時的主流應用──個人電腦(PC)。例如 2000 年推出之 Play Station 2(PS2)裡面的 Emotion Engine,當年的效能就大幅超越同年 Intel 的 Pentium III,其甚至大到被美國政府列為軍事管制的物品,擔心某些敏感國家將其運用於核彈以及彈道飛彈軌跡的模擬­而禁止出口。如今,個人行動裝置(包括智慧型手機與平板電腦)的潮流成為人類歷史上最快速普遍的物品,人們對於它們的興趣遠高於對電視遊樂器或是 PC,故對於其核心運算效能的追求自然也非常重視。

 

電池容量與散熱問題受限於實體體積

縱使理論上 ARM 的最高階 A 系列 CPU 純就理論上已經可以追上 PS4 等的運算效能,但實際卻無法擁有相同的使用者體驗,原因在於電池與散熱。高效能的計算同時來自高耗電,個人行動裝置有其在實體世界攜帶的需要性,尤其對於手機而言,常常目標在於能放進口袋的實體大小,故電池體積容量幾乎已到了極限,而電池儲電密度年成長又極度有限情況下,如果運算的耗電量繼續大幅成長,就得犧牲使用時間,這將對一般使用者造成巨大的不便。

除電池因素之外,另一個阻礙計算效能成長的原因就是散熱問題。散熱問題與高耗電量是一體兩面,消耗的電能轉換成熱能,在 PC 或是電視遊樂器當中,有相對足夠大的空間可以放置風扇傳導出熱能,但在手機上卻受限於體積大小,無法裝置大的風扇。尤其在現行個人行動裝置的架構下,為了騰出空間(不管是為了整體工業設計造型或是為了擠出更多空間放電池)應用處理器(Application Processor,AP)常常與行動記憶體(Low Power DDR DRAM)整合在一起,常見方式為記憶體以封裝上封裝(Package on Package,POP)堆疊在 AP 之上,這將導致 AP 無法很快的將熱能傳出,且由於 DRAM 用電容儲存資料的特性,高溫將會導致記憶體控制器或是記憶體本身電路需要縮短時間去不斷刷新(Fresh)內部陣列(Array)資料此將導致記憶體的耗電量跟著大增,更加惡化整體的整體系統待機時間。

 

Intel 目標著重低功耗

Intel 從過去靠著設計 PC 的 CPU 起家,效能不斷精進的結果,在 2000 年初期陸續打敗了在工作站、伺服器中稱王的純 RISC CPU,例如 SUN 的 Sparc 與 PowerPC 聯盟等,穩坐 CPU 效能的冠軍,但隨著 PC 的出貨量成長性不再,甚至一路下滑。人們不在一味只追求效能,同時再加上智慧型手機的崛起,對於待機時間的要求遠大於效能的成長,為了專注於這個爆發的市場,Intel 特別重新設計了一顆與傳統桌上型微架構不同的 CPU-Atom。Atom 雖然與桌上型現有架構 Core皆使用自 Pentium Pro 以來以 RISC 核心模擬的 x86 方式,但為了減少電晶體數目,也同時可以減少待機時間的漏電流(Leakage Current),拿掉了許多複雜的功能,例如 reorder & speculative execution 等。到了 2013 年,許多對於功耗與成本更敏感的物聯網(IoT)應用興起,Intel 再度開發更低成本的 Quark 處理器,其架構甚至拿掉 1993 年 Pentium 以來都具有的 superscalar 技術,回歸 80486 單一管線。

 

ARM 追求效能的極大

ARM 一直以來都在嵌入(Embedded)市場與主流桌上型的 Intel 互別苗頭,隨著行動市場的爆發,ARM 簡單架構在省電與成本上一直領先 Intel。但對於行動運算的應用需要持續成長,ARM 也在其 Cortex-A 效能系列加入了 Out of Order Execution 或是 Superscalar 等複雜架構,甚至納入了多核心 big.LITTLE,藉由不同終端應用模式使用不同效能的核心運算。但為了效能與省電的平衡勢必造就設計的複雜度,如果 CPU 的架構與設計工程師一不小心即可能讓高通(Qualcomm)驍龍(Snapdragon)810 過熱的歷史重演。

 

效能與省電的平衡才是未來主流

從 Intel 為了行動裝置提出較簡易架構的產品的歷史可知,行動裝置運算未來的發展絕不只是發展計算機架構技術與拉高時脈,其猶如在效能與省電之間的鋼索上前進,想要克服先天體積限制所造成電力持久與散熱的問題,仍需新的材料與技術發展,來因應類似虛擬實境(VR)或擴增實境(AR)這種更需大量圖像計算、更耗功耗的行動裝置。

(首圖來源:shutterstock) 

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