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嵌入式CPU技術展望
 

【作者: 陳隱志】   2003年03月05日 星期三

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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。


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《》資料來源:NS

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)
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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》
《圖二 採用NS Geode嵌入式CPU的Smart Display樣品》資料來源:NS

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》
《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
《圖四 Sun的64-bit嵌入式CPU:UltraSPARC-Iie》
《圖四 Sun的64-bit嵌入式CPU:UltraSPARC-Iie》資料來源:Sun

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。


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