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行動終端裝置由于多媒體應用廣泛，而且對質量的要求更甚以往，例如，2D顯示提升為3D顯示，而同時進行影音、通訊、導航…等任務，已是基本應用！從基頻處理器外分出專用多媒體應用處理器，甚至還必須大規模強化多媒體應用處理器效能，應付日漸繁重的處理需求… 圖說：行動終端裝置應用愈來愈豐富，但系統能應用的資源卻相對有限，如何讓裝置展現最佳多媒體呈現效果？處理器架構與效能絕對是重要關鍵！時下如PDA、PMP、PND…都需要極高運算效能支持，架構最佳化多媒體應用處理器與系統環境，已是這類行動裝置實用價值的重要基礎… 手機、數字電視、數字相機、個人導航裝置(PND)、可攜式播放機(PMP)…等，處理原本主要用途的組件，稱為基頻處理器 (Baseband Processor)，不過在多媒體運用，特別是愈強調質量的影音播放用途，已超越基頻處理器的處理能力，因此，多媒體應用處理器(Multimedia Application Processor)，成為行動裝置中協同處理器一員。 換言之，多媒體應用處理器原本只是行動裝置內眾多處理器的1種，以手機為例，內部處理器根據IDC定義，有高階多媒體應用處理器 (High-End Multimedia Application Processor)、基頻或整合式基頻處理器(Integrated Baseband Processor)、操作系統應用處理器(OS Application Processor)、多媒體應用處理器(Multimedia Applications Processor)、多媒體協同處理器(Multimedia Co-processor)、相機影像協同處理器(Camera Coprocessor)、及LCD屏幕控制器(LCD Controller)…等7種。 上述眾處理器中，現今多媒體應用無論質與量都與時俱進的市場趨勢，多媒體應用處理器在許多原本并非職司此道的行動裝置上，反成了重要組件！其設計與發展趨勢足以影響行動裝置整體表現。 1 高質量多媒體應用漸多 多媒體應用處理器強化效能 多媒體應用處理器發展迄今，第1個重要的設計方向，便是強化效能。作法分為2類，其一是在原本架構上，作更進一步加強、調校，直接的作法是提升頻率，并非線性提升，更重視每頻率所能帶來的效率(如MIPS或DMIPS/MHz)，所以，微架構調整也相當重要。 多媒體應用處理器微架構強化方向相當多，舉例而言，使用更高效率超純量管線(Super-scale Pipeline)，讓單一頻率能執行多重指令；強化浮點運算單元(FPU)，如加快單倍與雙倍精準度純量運算作業速度，并加入額外16位浮點運算數據類型轉換指令，增進與嵌入型3D處理器間數據交換速度；內建多媒體處理單元(Media Processor Engine)，支持SIMD運作模式，如每周期能處理8、16、32位整數與32位浮點運算數據，甚至支持混合數據類型，排除封裝/解封裝耗費的資源，及結構化加載/儲存功能，讓數據不必于演算格式與機械格式間來回轉換。 在微架構外部方面，可強化與內存間存取效率，如加大快取容量/頻寬、降低遲延，解決L1/L2快取間的一致性問題，例如，設立1個偵測控制單元(Snoop Control Unit；SCU)然而，任何接觸內存中的關聯區域存取，SCU都將進行監控，測試要求的信息是否已儲存在處理器L1快取中，若信息已存于快取內，就直接傳回發出要求組件，否則會利用最佳化算法，盡量使數據盡可能利用L2快取，藉此排除直接寫入芯片外部內存衍生的功耗，并提高整體效能。 2 單核發展面臨瓶頸 多核心技術應戰 單核心最佳化，面臨多任務處理時發生瓶頸，例如，1個行動終端可能同時進行視訊/音訊播放、導航定位、數據庫搜尋、無線傳輸…等工作，效能再強大的單一多媒體應用處理器，往往也因此捉襟見肘，所以，多核心成最佳解決方案。不過此處必須說明，這里談的并非基頻/多媒體應用處理器封裝在一起的異質多核心架構，而是多媒體應用處理器本身就采用同質多核心運作。 多核心架構帶來效能提升，在軟件支持環境下，利用新增指令讓多核心處理器于程序執行時，動態從超純量執行切換成執行多個并行執行緒，建立程序內執行多執行緒機制，僅雙核心針對譯碼MPEG-2效能，就比單核心提高52％！不過，多核心真正的價值，除直接效能性提升外，更重要的是多核心處理器還能充分利用不同應用指令間的平行處理(Instruction-Level Parallelism；ILP)和執行緒階層平行化(threading-Level Parallelism；TLP)，換言之，具較高ILP與TLP應用，對于多核心架構適應力較高，效能提升幅度也會更大。 至于采多核心的負面影響，則分為硬件與軟件方面。硬件方面是在寸土寸金的行動終端裝置，多了1組核心，就表示多1倍晶體管，但多數應用環境中，效能卻并非等比提升1倍，但目前半導體技術進步，多核設計可有程度不等的晶體管共享(如L2快取或內存邏輯控制電路共享…等)，降低多核芯片尺寸與功耗。 反而軟件問題比較復雜，例如，多個執行緒甚至應用程序存取同1個內存區塊問題，如果，某1個程序沒有針對多核心運作最佳化，可能就會讓系統不穩定，因此，因應多核環境修正嵌入式軟件與針對多核心最佳化，是目前推展多核心多媒體應用處理器頗大的阻礙。 不過，總體來看，就如同x86處理器在頻率發展遭遇高耗能與高熱瓶頸后，即透過多核心抒解的發展軌跡，多媒體應用處理器采多核心抒解性能瓶頸，也是必然趨勢，不過多核心對于芯片面積更為敏感，因此，半導體制程進展成為開發關鍵。此外，多核心架構的省電機制設計也相當重要，如果分配得宜，能比單核心更省電、且效能更高。 圖說：多媒體應用處理器設計的首要目標，是彈性架構與效能強化，以適應各種裝置需求。 圖說：多核心運作可強化處理器架構，也是多媒體應用處理器設計趨勢，但軟件支持度仍有待考驗。(ARM) |
