回顧2012年初，大陸手機業者打出「蓄4待發」的規格口號，亦即4核處理器、4吋以上螢幕、4G通訊（指LTE，但真正4G通訊應為LTE-Advanced）及Android 4.0作業系統。

而2013年，業界開始提出新一波主打規格，其中手機處理器被高度預估將有8核發展，若此屬實，則純就核數而言，已比一般PC處理器所用的核心更多（2～4核），可謂達伺服器水準，到底手機是否需要達8核水準？以下將從技術角度進行探討。

多核不等於高效能

核心數的增加，不代表運算效能也線性增加，而是逐漸趨緩的走勢，在相同時脈、相同製程、相同微架構的電路設計等前提下，若單核晶片的效能為100%，則雙核晶片的效能不會是200%，而是低於200%，原因在於2個核心必須對運算工作進行溝通協調，協調即會造成效能損耗。

若要減少核心間的協調耗損，則需要傳輸量大、路由繞徑智慧化的晶片內匯流排（On-Chip Bus），好的匯流排設計可以減少損耗，如雙核可達170%效能，協調耗損為30%，差的匯流排則高損耗，雙核僅有140%效能。

隨著晶片內核數的增加，每增加1個核所能帶來的邊際效能將遞減，假若單核為100%效能，追加第2核可再加70%效能，但再追加第3核恐僅再加60%，第4核更只有50%，將4個核加總的結果是100+70+60+50=280，即4核的真實效能僅為2.8核。

此為單純硬體電路方面的效能估算，不代表軟體實際執行所發揮的效能，倘若手機作業系統不能對多核進行最佳化編譯，不能即時、充分發揮硬體功效，則效能還必須再往下打折扣。舉例而言，Windows Phone 7.x版的手機作業系統僅能支援單核，即便採行雙核手機晶片，依然只能發揮單核功效。

如果晶片電路能在愈多核的情況下，其協調折耗仍然很少，學理上稱為效能的擴展延伸性（Scalability）佳，再將作業系統，甚至是作業系統之上的資料庫、虛擬機器、應用程式等一併考慮，這些軟體也必須同樣具有擴展延伸性，如此效能才能獲得充分發揮，此稱為真實應用效能（Real Application Performance），而不是只在特有的基準標竿（Benchmark）測試上得到高分。

圖一 : 最理想的多核效能擴展延伸是線性擴展（Scaling Linearly），每增加1個處理核心，均可增加100%的效能，然此在實務上幾乎不可能，至多在基準標竿測試中出現逼近結果。（圖片來源：gwan.com）

多核的功耗挑戰

增加核數除對效能有影響外，功耗用電也會受影響，每增加1個核，意味著核的用電增加1倍，雙核為2倍用電，8核便則8倍用電。

為了減少耗電，晶片業者著手更智慧化的省電設計，採行如同家庭與辦公大樓類似的省電手法，凡沒有在用的房間立即關燈，減少照明用電。類似的，多核晶片把晶片內的多個電路功效劃分成一個個的島區，當軟體不支援多核執行時，就把多核的供電關閉，僅提供單核供電，或需要多少個核執行即對多少個核提供電力，以此精省晶片的整體電能。

這樣還不夠，晶片業者發現晶片的運作時脈每增加10%，功耗則高至20~30%，用電量呈指數性攀升。為了節省電能，許多產品的CPU多以降頻方式執行，如ASUS Eee PC與Apple iPhone等，在時脈上都降低30%，但電能卻可精省至50%，以此增加電池使用時間。

進一步的，晶片業者也發現愈是高階製程架構的處理核心，在重度運算負荷下的用電效益較佳，一旦處於輕載狀態，反有較高的基礎電能開銷。因此，新的行動用晶片除了單純增加核心外，也加入較初階的處理核心。

1. 高低組態核心搭配趨勢

例如TI OMAP4晶片在配置2個Cortex-A9核心外，也配置2個Cortex-M3核心，一旦晶片處於輕載（輕運算負荷）狀態，則關閉對A9核心的供電，僅交由Cortex-M3核心執行，而在負荷變重時才喚醒A9投入運算。

類似的，TI OMAP5也延續類似設計，採行2個Cortex-A15與2個Cortex-M4，或如NVIDIA Tegra 3晶片，一般在行銷上宣稱為4核晶片，但實際上晶片內配置了5個Cortex-A9核心，其中第5核心以較低時脈運作（500MHz，另4核為1.2GHz～1.6GHz），在輕載狀態下使用，功效角色類似OMAP4中的Cortex-M3，也類似OMAP5中的Cortex-M4。

由於高低組態搭配已成了「為追求省電而不得不採行的設計趨勢」，因此手機處理核心的領導業者ARM也提出官方版的高低搭配設計，稱為big.LITTLE技術，提出以Cortex-15（重載）與Cortex-A7（輕載）搭配的高低組合。

事實上，目前最受關注、最可能率先推出8核設計晶片的業者是Samsung，側面消息顯示Samsung將推出的Exynos 5440即為8核晶片，內部的核心配置為4個Cortex-A15（1.8GHz）與4個Cortex-A7（1.2GHz）。

圖二 : NVIDIA Tegra 3晶片的裸晶圖，可明顯看到中間5個Cortex-A9核心，其中有1顆以低頻運作為主。（圖片來源：NVIDIA）

2. 即時動態調整頻率

除高低微架構的核心搭配外，即時動態調整運作頻率也成為「效能與用電」兼顧的手法，如Tegra 3在4核全開（不列計500MHz的低頻）時每個核以1.2GHz時脈運作，但若僅1核運作時，時脈則可拉高至1.3GHz，時脈能拉高的原因有二，一是單核少去與他核溝通協調，可更加速執行，二是關閉多核後僅一核運作，晶片的功耗較低，發熱較少，允許以較高時脈運作，因為溫度也是晶片能否更高速運作的條件。

事實上，Intel的Turbo Boost技術即是偵測處理器晶片溫度來自動決定晶片能否以更高頻率運作，若溫度升高至晶片難再承受的程度，便會嘗試降低晶片的運作時脈，以緩和晶片持續高熱的情況，待溫度降至可承受的程度後，才再次調高運作時脈。

多核的製程議題

增加核數除了影響效能、功耗外，成本與體積（或稱電路面積）也必須考慮。從製造層面考慮，則晶片電路面積幾等於晶片成本，另再加外部的封裝、測試成本，而採行更先進、更縮密的半導體製程，例如從40nm縮至28nm，則初期的光罩成本高昂，但晶片的量產成本卻可降低，不過先決條件是新舊製程的良率一致，沒有惡化，然新製程初期的良率較低。

在此還要提醒考慮另一成本，即處理核心的授權成本，依據ARM所訂立的商業規格，每使用一種核心即必須先支付技術授權費，而後每顆晶片若有配置了該核心，則每顆都會被收取量產權利金。因此，核數愈多即表示要支付愈多費用給ARM，若採行不同類型的ARM核心，也必須再支付一筆使用他款核心的技術授權費。

一切為了行銷

歸結上述可了解，所謂8核並非是相同強悍規格的核心，而是重載型、輕載型高低搭配的核心，效能不僅不可能是重載單核的8倍，以半數核心均屬輕載型的組態配置下，效能恐與現有4核重載設計相差無幾，或是在輕載多核的運算需求下有較佳的表現。

不過，確實有晶片業者確實構想8個均為重載型核心的晶片，目前傳聞MTK的MT6599晶片將是8個Cortex-A15核心，然如前所言，即便擁有8個核，效能也不會是單核的8倍，而是逐核遞減。重載8核的設計，確實能比4輕核加4重核更有效能，但也可能更耗電，因此已知MT6599將採28nm製程生產，以新製程收斂功耗。

若無上述的技術，對一般終端消費者而言，僅以廣告行銷與規格型錄研判，則認為8核擁有顯著的效能提升，進而提高選購意願，此正是手機晶片業者與手機業者所期望的，8核在規格行銷上是個很好發揮的題材。

結論

最後，不僅手機處理晶片，各應用領域的處理晶片均朝多核化發展，原因在於持續精進處理器的微架構設計，所能帶來的加速效益已經趨緩，且每更動一次設計，連帶的後續驗證程序過於繁複，經常有晶片已投片量產才發現設計有瑕疵錯誤，之後以韌體、軟體方式去彌補，甚至回收晶片。另外以單核、少核晶片為基礎，以提升運作時脈的方式獲取效能，也一樣碰上瓶頸。

相對的，由於半導體縮密製程技術的精進，且多核執行的編譯器成熟發展，因此多核成了近年來處理器持續提升效能的主流手段，核心直接增加數目的好處是不用再對設計進行驗證，因為過往已驗證過，然缺點如前所述，晶片間的溝通協調成了新的效能瓶頸，因此多核晶片的後續技術精進，多聚焦在核心間的匯流排上。

往未來看，手機處理晶片的效能也將如個人電腦處理晶片一樣，逐漸達到效能需求飽和的情景，且隨Internet、雲端應用的發達，晶片內外的傳輸通量將成為發展重點，晶片運算執行處理效能則退至次位要求，這樣的趨勢已逐漸到來。

（作者為CTIMES特約主筆）