智慧製造2019.06.04

從 CPU Architecture 談起 晶片 於物聯網時代的再進化

飛飛

物聯網 硬體 創新

 

智慧物聯網已經進入了風起雲湧的初期市場爭奪大戰階段。從電信設備到相對應 5G 智慧手機都緊鑼密鼓,各自紛紛就定位,少數已上市,多數也已經排定陸續上市。相對於過往從 2G 語音到 4G 影音以獨立裝置為應用發展環境,物聯網的概念更顯得具無限延伸特性。 在此之中,核心運算舞台 ─ CPU 成了往後應用擴展機會的基石。

 

無論我們是從螢幕顯示的應用程式下指令,還是幕後作業系統作指令平台,CPU 都將承接所有使用者的無形想法,據以驅動有形物質為其完成任務。CPU Architecture 是所有類電腦裝置的運算基礎法則,其中包括:Instruction Set Architecture / ISA 指令集,主要涵蓋指令類型(算術/邏輯、資料處理等)、個別指令類型的最長長度、指令形式(即指令編碼規則)、記憶體存取等;除此之外,還有 Microarchitecture  微架構,透過界定像是 ISA Pipeline 長度、Cache 高速緩存層級等,定義執行 ISA 所需電力、效能等相關要求。

 

CPU Architecture 目前商業化市場上只有 2 種:

 

X86 ( Intel )

採用 CISC / Complex Instruction Set Computer 架構,以多次 CPU 時脈循環執行指令;基本上為效能較高、耗能較多。此為美國英特爾公司專利。英特爾的 CPU 具悠久歷史,幾乎參與了資料處理產業發展的大多歷史。由於其商業策略定位,英特爾的 CPU 架構多半用於自身電腦相關產品所需 CPU 及微處理器等,幾無單獨授權使用。

 

Arm

採用美國 IBM 的 RISC / Reduced Instruction Set Computer 架構,大多以單次 CPU 時脈循環執行指令,相對為簡單架構;因而,可謂耗能較少,效能適合相對輕度資料流處理。Arm 架構的興起主要得益於行動裝置的普及,無論是 Apple 的 iOS 陣營,還是 Android 陣營的兩大行動裝置作業系統,泰半採用此架構。由於 Arm 商業定位在單純授權業務,對其下游產業而言也具相對易取得性,因之市場佔有率通常可達九成之普。

 

從 PC、工業電腦、筆電,到手機、平板等行動裝置,再加上雲端體系的伺服器、嵌入式系統等, CPU 都是無可或缺的最重要第一主角;CPU Architecture 更是無可取代的核心運算基礎,等同於陽光、空氣、水、土壤等基本維生要素對地球生態系的重要性。

 

時下所謂的 IC 晶片,一般即必須建基於 CPU Architecture之上, 才能後續設計出完整的晶片,再供貨予各個資料處理裝置供應商,用以組裝成各具特色的科技產品。基於資料處理裝置應用愈形廣泛、裝置愈發多元,再加上所連接週邊設備眾多又各具獨特功能,CPU 核心晶片的發展已無法侷限於原先制式化產品,從而衍生出 SoC 系統化晶片,能夠事先依系統用途與相對應需求,提供一體成形的客製化系統專用晶片。不僅如此,為銜接物聯概念所形同資料流彊域無限擴展,尤其虛擬化蓬勃發展, FPGA 則可因應日後物聯體系的資料流高度可變動性,具可程式邏輯的功能。Accelerator 加速器也是目前為呼應未來 AI 需求的晶片相關先進技術之一;除了CUP,其也經常建構在已較成熟發展、又近似眼下圖形辨識演算方式(如:CNN )的 GPU 圖形處理器,主要用以回應 AI 神經網路機器學習的持續性新興運算需求。

 

除了上述商業化市場所提供的 CPU 架構之外,開源市場另有 MIPS 適用於相對低階的 32 位元 MCU;以及 RISC-V 由美國學術領域開發。相對於商業化市場的選擇,RISC-V 則顯得簡易許多,實際應用於商業市場還需投入所費不資的高昂額外開發成本,更添加  Time-to-market 的不可預測性。再者,晶片除了 CPU Architecture、設計到製造之後,測試上還需獲取目前仍屬專利市場的測試相關軟體,再開發成相對應的適用版本。因此直接採用上述 2 種 CPU Architecture 及其所帶來的市場競爭力、生態系共榮所必要的相容性,仍是現下市場上幾無例外的選擇。

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