享受近20年高度成長的PC,近年來已經明顯看到頹勢,2001年開始出現出貨衰退的跡象,然而這並非全無預警,早在1997年IBM Garstner就曾發表「PC已死」的演說,並且也揭櫫IA(資訊家電)時代的來臨,從PC進入IA,也表示過往PC用的泛用型CPU不再受用,而是更貼近應用取向的嵌入式CPU躍為主角。
嵌入式CPU當然也包括微控制器(Micro Controller;uP)與數位信號處理器(Digital Signal Processor;DSP),如此8-bit、16-bit等都將涉入討論,不過,本文將專注於32-bit嵌入式資料處理CPU為主軸說明。
目前主流的資訊家電有WebPAD、Thin Client、Set-Top-Box、Game Console、Resident Gateway等,手持方面的IA也有PDA、SmartPhone等,從PC中獲益最大的Intel、Microsoft近年來也積極跨入非PC的IA領域,(表一)是Wintel積極跨入IA的例證。
表一 Wintel積極跨入IA的例證
廠商 |
相關服務與產品 |
時間(年) |
Microsoft |
Microsoft WebPAD(Tablet PC)Windows XP Tablet
PC版 |
2002 |
Microsoft Thin Client(Windows
Base Terminal;WBT)Windows CE |
1996 |
Microsoft Wireless
Thin Client(Smart Display)Windows CE .Net for Smart Display |
2003(F) |
? |
Microsoft Set-Top-Box(WebTV) |
1997年以4.25億美元併購而得 |
Microsoft Set-Top-Box(Media
Center)Windows XP Media Center版 |
2003(F) |
Microsoft Game Console(Xbox)Windows
2000 |
2001 |
Microsoft Resident Gateway,尚未有具體產品,最接近的為Windows
XP Home版 |
? |
Microsoft PDA(Pocket PC)Windows
CE 3.0 |
2000 |
Microsoft SmartPhone(SmartPhone)Windows
CE .Net for SmartPhone |
2002 |
Intel |
Intel StrongARM |
1998 |
Intel Xscale微架構提出 |
2000 |
Intel IA32、IA64、PCA、IXA架構提出 |
2001 |
Intel Xscale for PDA |
2002 |
Intel Xsclae for SmartPhone |
2002 |
不僅Intel、Microsoft,Sun也積極介入嵌入式領域,1995年的Java亦是為Set-Top-Box所開發設計,如此Java Card、J2ME也是嵌入式領域的主流,2002年Comdex Fall微軟所提出的SPOT(Smart Personal Object Technology)也是鎖定嵌入式系統,整體而言資訊業者積極以既有優勢跨入更大數量需求的嵌入式市場,絕對是不爭的事實,傳統汽車、冷氣內所使用的嵌入式系統在不久的將來都將受到新標準的考驗。
《圖二 採用NS Geode嵌入式CPU的Smart Display樣品》 | 資料來源:NS |
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市場現況與發展
雖然傳統8-bit、16-bit的嵌入式CPU仍享有最大的市場量,運用在各類自動化家電上,如遙控器、溫度控制器或如汽車內的電動窗、ABS煞車、安全氣囊等,但資訊家電的嵌入式CPU前景卻比傳統嵌入式CPU更誘人,因為其未來市場具有高度成長的潛力。
若從IA以上的層次看,8-bit、16-bit等單純應用取向、低層次運用的嵌入式CPU將被排除,僅有32-bit的嵌入式CPU能談論,而目前32-bit嵌入式CPU的主要類型架構,如(表二)所示。
表二 32-bit嵌入式CPU主要類型架構
架構類型 |
發展廠商 |
RISC的ARM |
Intel、SiS、Motorola、TI |
RISC的MIPS |
NEC VR系列、Philips、ST、PMC-Sierra、AMD(併購Alchemy)、Sony |
RISC的PowerPC |
IBM、Motorola |
CISC的x86 |
Intel、AMD、Transmeta、NS、VIA、SiS |
CISC的68K |
Motorola 68K/ColdFire系列、Motorola DragonBall系列 |
除表二所述五項,此外更細膩談論則尚有Hitachi SuperH系列(如SH3、SH4),但因市佔因素不列入本次討論。另外,雖然DragonBall衍生自68K,但如今Motorola已將68K/ColdFire與DragonBall兩者區分成兩獨立架構系統。而ARM、MIPS都屬純販售IP(智財權)的業者,並未自身設計量產商業化晶片,MIPS原於1992為視算科技(SGI)所併購,但1998年再度釋出為獨立公司。
從使用電池運作的手持式IA來說,眼前幾乎是ARM與MIPS兩架構的天下,主要是其具有高省電特性效益,即便部分x86架構CPU能夠進入此一領域,也是以相對大體積、大電池的方式出現,如Web之類的應用,而無法在更嬌小的PDA、SmartPhone上展現。在ARM、MIPS之外,其餘如PowerPC、x86、68K皆是以使用插座電源為主的應用,如Set-Top-Box、Game Console等。
技術發展趨勢
IA或多或少承襲PC過往發展的經驗,使的IA用嵌入式晶片能避免走許多冤枉路,在1996年Microsoft Windows CE發表時宣稱支援12種不同的硬體平台系統,但硬體架構過於多樣依然不利於相關軟體的發展,因此未來嵌入式CPU的硬體類型、架構只會更少,不會更多,即便有新衍生也會盡可能相容原有軟體運作,例如Intel從StrongARM衍生出XScale微架構,XScale的軟體運行環境也盡可能相容原StrongARM,甚至達到應用程式部分完全相容,僅作業系統、驅動程式需要改寫的程度。
另外一個技術趨勢在於符合軟體的跨平台執行標準,Sun發明JAVA的跨平台程式語言後使得Write ones, run anywhere.的觀念大為盛行,雖然「撰寫一次,在各類硬體平台上都能平順執行,不需改寫」這樣的終極理想即便是JAVA也未能100%實現,但卻可以大幅減低程式轉換、移植硬體平台時的改寫心力,可說「雖不中亦不遠矣」,而Microsoft於2000年6月提出的.Net願景、.Net Framework(執行框架),也是仿效JAVA所設計。
JAVA從SDK 1.2版後衍生發展成三大領域,即J2SE(標準版)、J2ME(微型版)、J2EE(企業版),但與嵌入式相關的僅J2ME,此外還有比J2ME更嬌小的JavaCard(1996年提出),同樣的Microsoft對應抗衡J2ME的是.Net Compact Framework,兩者將是未來32-bit嵌入式系統的主流執行平台,這將是嵌入式CPU開發商積極支援與配合的標準規範。
讓硬體架構維持對軟體運行的一致性、相容性是一大趨勢,但另一項趨勢卻是針對不同的應用訴求加入不同的硬體功能,這與微控器的深化應用功能走勢相近,如今嵌入式CPU走向功能整合的情形愈來愈多,例如Intel PXA260系列晶片(屬XScale系)將快閃記憶體整合至CPU內,SiS將SmartCard及Sony Memory Stick等讀取控制器整合至SiS550系列晶片(屬x86系)內,都是逐漸依據各類IA裝置的應用訴求所添加、內建的新硬體功能。
除不斷依需求進行硬體電路功能整合外,CPU本質特性的強化也將持續,例如MIPS、ARM將持續提供更高省電效益的CPU核心技術,ARM最新發展的Intelligent Energy Manager,同時也不斷在同等耗電中增強運算效能,或者在可接受的耗電增加下提昇效能。
另一方面一直無法跨入電池用嵌入式領域的他系晶片,如x86、PowerPC等,也積極讓耗能精省化,期望能擠入手持式運用領域,例如Intel與Ericsson所簽署的三年研發合同,未來將合作開發在手機上直接解析、瀏覽HTML格式的嵌入式CPU,即是直接用手機上網,不用再改寫成特有的W@P(WML)或NTT DoCoMo(CHTML)資料呈現格式。
為何x86、PowerPC等想積極跨入電池用的手持IA領域?答案很簡單:手持式的裝置需求量遠大於固定場合的資訊裝置,如果嵌入式CPU非得使用插座電源,那麼就只能拘限在上網機(Internet Appliances)、機上盒(Set-Top-Box)等出貨量有限的裝置,而全球上億支的手機需求量、無線通訊裝置與應用的急速起飛,才是真正的殺手應用與大量市場所在。
應用趨勢
除了個人家用前端、個人行動端的IA裝置需要嵌入式CPU外,企業商用前端、企業機房後端的新發展也同樣對嵌入式CPU產生仰賴,最明顯的地方在於精簡型伺服器(Server Appliances)與刀鋒型伺服器(Blade Server)的竄起。
精簡型伺服器的範疇極廣,時下相當流行的「寬頻IP分享器」、「NAS網路附接儲存」也屬其中,同時也算是Resident Gateway的一類,而Sun針對中小企業前端網路服務所提供的Cobalt Qube也算是,現在無論精簡型伺服器或刀鋒型伺服器,幾乎清一色是x86的天下,並且以搭配Linux作業系統為主流,無論是x86 CPU或Linux OS,在此嶄新領域都有90%的佔有率,原因無他:x86 CPU是效能價格比最高的硬體平台,Linux是最開放、免費、效能優異且功能彈性的作業平台。
以x86架構為主,以省體積、省電為訴求的設計多會選擇NS Geode晶片,或者是Transmeta Crusoe晶片,其次若以低價訴求則會使用VIA Eden平台的VE系列晶片(即是VIA併購Centaur的WinChip晶片衍生而成),或者是Intel Celeron晶片,至於高階高效則必須往Intel Pentium III、AMD K6-2/Athlon等標準桌上型CPU領域選擇。事實上Microsoft Xbox內部即是使用Intel Pentium III-733MHz,在正式敲定前Microsoft也曾考慮AMD K6-2,很明顯為因應電玩遊戲的高品質效果,Game Console必然屬於高階高效應用的IA裝置。
《圖三 NS的Geode GX1嵌入式CPU(320支接腳),本圖為使用SPGA封裝,與之搭配的小封裝晶片為Geode CS5530輔助晶片》 | 資料來源:NS |
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《圖四 Sun的64-bit嵌入式CPU:UltraSPARC-Iie》 | 資料來源:Sun |
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持續向上伸展、推移
從歷史來看,嵌入式CPU持續向上推移發展是必然的,同樣屬嵌入式領域的低階CPU:微控制器即是最好的例子,過往還可以看到4-bit的微控制器,但在8-bit微控制器價格與4-bit相近時,4-bit在功能與價格上失去優勢,整體市場變從4-bit轉移至8-bit,部分推進到16-bit,或DSP的領域。
同樣的以往高價的32-bit嵌入式CPU,在過往大概僅有雷射印表機之類的高階裝置能夠使用,現在32-bit嵌入式CPU物美價廉,功能更多、更省電,32-bit不再是高階應用才有的專利,成為今日最大宗的應用主流。至於64-bit,則仍是少數利基領域的訴求,短時間64-bit嵌入式CPU尚無普及運用的可能。
嵌入式需要的是穩定、抗環境的能力,且經常安置在狹小空間內運作,因此盡可能不依賴風扇散熱,甚至連佔體積的散熱片都需要考慮,這是持續不變的要求,如何在此先決條件下不斷增加硬體週邊及應用功能、強化效能與省電表現,就是各家業者的勝負關鍵。
註:有少數情形會使用到128-bit的需求,如Sony為PlayStation電視遊樂器所開發設計的EE控制晶片,以64-bit MIPS為核心,並額外添加128-bit資料暫存器以增加處理效率,以因應遊戲的高速3D成像之數據運算需求。