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多工多核低能耗嵌入式系统君临天下

中国视听网资讯 更新时间:2010-4-7 9:19:47  编辑:秋菡  [ ]     手机访问

  因应趋势,高效能与低功耗的诉求,成为嵌入式系统相当重要的发展趋势。如何提升效能?过去必须仰赖不断提升时脉,然而多核心的技术逐日成熟,也渐渐成为各厂商嵌入式核心的发展方向。行动运算时代降临,PC与嵌入系统的界限模糊,使PC厂商也跨足嵌入式系统领域,与现有嵌入式系统厂商激荡出更热闹的景象。
嵌入式系统的发展,仍是以控制与消费性应用为主轴,两者的发展虽呈现些微的差异,但发展的大方向仍是相当类似。控制领域的成长中,白色家电仍是相当大的利基市场。此一市场不同于一般消费性电子产品,产品周期长、不求极致效能且需求不断,是最大的特色;除白色家电,工业控制仍是嵌入式系统市场大宗,面对网路时代的来临,网路通讯功能整合,是此一领域应用日后相当重要的功能。

嵌入式系统崛起不甘与低效能划上等号

  在消费端应用,嵌入式系统最大的突破则是摆脱以往效能不如PC的既定印象,往行动运算领域靠拢,加上大量整合各式DSP与I/O控制能力,一颗小小的晶片,却已经囊括一个装置的主要功能。另外,也由于节能需求,嵌入式平台在追求效能的同时,还需要兼顾节能,虽然高时脉是目前提高效能的手段,但不断冲高时脉也会造成更高的能耗,在此前提下,导入多核心运算,利用多核分担运算负担,并在低负载关闭核心,亦是消费终端产品的下一个重心。

  消费端应用的另一个趋势是,随着迈入32位元时代,自主开发的嵌入式系统核心减少,取而代之则是大量采用ARM与MIPS授权的核心技术,并使用这些核心技术结合公司本身的长处,造成市场上虽同样采用这两家核心技术,却拥有不同风貌的产品。另外,PC端的处理器开始挑战嵌入式平台虽不是新闻,但自Atom发表之后,Intel的动作又更加积极,从PC跨入嵌入式系统,是完全不同的诉求。

32位元产品导入工控市场记忆体效能大幅跃进

  ARM市场行销经理陈洛表示,由于工控端的应用市场需要更高速的计算能力,并借此提升产品运算速度,许多过往采取自主核心技术的晶片厂商,纷纷放弃自行研发,改为购买授权,包括ARM 9与Cortex-M3处理器等。进入32位元时代,许多厂商舍弃过去自主开发核心的关键,在于32位元核心开发成本仍然过高,而部份企业的强项并非在核心部份,例如德州仪器着重DSP、高通主打整合数据机、nvidia擅长绘图核心等,舍自行开发改采取购买核心授权,能够大量减少在核心开发的资金与人力投入,并且可将资源集中在本身所擅长的领域。

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  除此之外,32位元处理器可以解决8051架构对于记忆体控制的问题,8051由于先天记忆体控制仅2~4KB,当处理大量繁杂的工作,程式码很容易达到上限。

  用于控制领域,由于愈来愈多的产品,例如高阶可程式化滑鼠、白色家电等逐渐导入LCD显示产品状态资讯,许多嵌入式核心也因此导入简易的LCD控制。瑞萨科技第一营业技术行销部协理王裕瑞认为,32位元产品最大的价值,在于提升记忆体的可靠性,并且透过更高的记忆体有效提升效能,以利执行复杂的运算。

不同位元自有利基价值市场决定产品定位

  尽管32位元处理器可以大幅提升处理效能,然而,位元并不代表一切。推出合乎市场需求的产品,才是重点。例如,王裕瑞表示,生产符合客户需求的产品是瑞萨的首要宗旨,在消费型手持装置领域,尤其是智慧手机市场,特定的处理器核心技术有其市场优势,瑞萨也会针对客户需求,客制其他授权核心的嵌入式处理器。而瑞萨本身的处理器,仍是以源自日立与三菱的处理器为主。瑞萨嵌入式市场粗分为两个领域,其一为控制市场的MCU,另一个领域则是面向消费市场的SoC,两者的关键在于MCU重视稳定与产品长期供应,产品线针对不同应用需求与成本从8位元到32位元产品,并且日益增加对周边控制的能力;而SoC产品线,几乎转向32位元产品。

  并非位元愈高就代表产品愈好,是否合乎顾客需求,也是产品所需考量的重点。从客户需求来看,有时甚至不同位元产品市场会互相重叠。举例来说,作为一般家电与光学滑鼠的控制,不一定需要32位元的产品。不过,另一方面,却也不得不承认,各位元产品市场仍有少许重叠,例如高阶8位元与低阶16位元,或是高阶16位元与低阶32位元,就会因为产品价格与效能相近,会有相互跨线的情形,但是各位元产品仍有其擅长应用,不会因为32位元价格大量降低,就扼杀8位元与16位元产品的发展。

  特别在嵌入式市场,许多的应用较为特殊,且产品周期较长,不能因为32位元产品价格降低,而淘汰现有8位元或是16位元的架构设计;以瑞萨的观点,提供合作伙伴适合的产品相当重要,在此前提下,开发工具、AP与资源将是决定客户是否愿意采用的关键,瑞萨也将旗下产品的应用,作精确的定位,使合作伙伴能够针对需求,快速找到适合的产品。

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第三方IP核心方案业界多种弹性选择
  除了对内自行研发与对外购买授权,嵌入式系统还有第三条路可走。 MIPS策略行销总监Kevin Kitagawa表示,MIPS这类第三方IP供应商提供的解决方案,仅是厂商开发自有处理器核心所需成本的一小部分。虽然目前仍有厂商自行进行专属的处理器设计,但他们通常一年须花费数百万美元的费用,才能建立此内部能力。厂商同时也须负责建构一个围绕此架构的软体生态系统。随着设计成本持续攀升,这样的做法已经愈来愈不吸引人。因此,厂商势必日益加深与可信任的高品质第三方IP供应商间合作,因为这些IP供应商已有广泛、完备的生态系统。

  结合网路,也是嵌入式系统平台的重点。在工控与IPC领域,由于嵌入式平台处理器效能逐渐提升,导入嵌入处理器取代传统PC架构,透过网路连接的方式扩充内容,就能降低终端设备成本;Kevin Kitagawa认为,随着制程微缩,整合已经成为SoC设计的主流发展趋势。当多重市场中的连接性新标准成为共通,整合这些标准也会成为主流。 HDMI就是一个例子,它一开始只用在电视,但现在相机和行动电话中也非常普遍。传统以来,因为要求讯号完整性,射频通常被排除在整合部分之外,它可能持续以独立晶片的形式存在。然而,若成本允许,有些公司已经将射频功能整合在多晶片模组中。

  以外部晶片支援嵌入式系统中的旧式标准,仍然会持续形成一个市场。举例来说,旧的PCI、串列埠、平行埠、P-ATA、类比RGB等标准,因为新的SoC中不会支援这些功能,因此会采用外部晶片设计。需要这些旧标准的嵌入式系统会利用外部的「桥接」晶片,将较新的晶片上连接埠(on-chip port)与既有的旧标准连接在一起。

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x86 处理器瘦身有成 逐鹿嵌入式市场

  Intel亚太区嵌入式产品事业群暨微型装置事业群总监陈武宏表示,云端趋势,除了电脑以外,嵌入式系统透过连网的趋势已经指日可待。 Intel在嵌入式产品的优势,是确保软体开发不因产品改朝换代而需重新来过,并藉由收购嵌入式软体大厂Wind River,强化嵌入式系统设计阵容;针对手持多媒体装置的系统,Moblin计画仍不断持续,并且希望藉由软体与硬体的开源,与业界一起为嵌入式系统带来更多元的产品与使用体验。

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  过去以来,Intel在嵌入式处理器领域并未能深入着墨,主因仍在于整体平台功耗过高。即便是第一代Atom平台,仍有近30W的TDP。但2009年初所发表的第二代Atom平台Pine Trail,正式宣布Intel跨入20W以下的领域,也帮Intel进军嵌入式平台打下良好的基础。 Pine Trail平台除了降低功耗以外,亦将绘图核心与I/O控制纳入处理器,使主机板主要晶片由三颗减少为两颗,有利简化主机板设计,未来Intel目标是将所有主要功能加以SoC,并且提供更低的功耗。

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高效能嵌入式系统广泛用在数位看板等互动产品

  针对嵌入式市场,陈武宏表示,数位看板将是Intel未来会积极着墨的目标,数位看板对于网路、触控与互动性的需求愈来愈高,也需要更强的运算能力。但是数位看板主机目前缺乏统一的业界标准,因此,Intel欲结合软体厂商与工业电脑厂商共商标准,共同做大数位看板的市场。

  陈洛认为,嵌入式系统与PC发展最大的差异,其中一个重要关键,在于嵌入式系统的重心移转。过去嵌入式系统的重心以稳定、省电为前提发展,并且重视缩小封装体积,相较PC传统处理器、控制、绘图分别不同核心的设计,嵌入式核心在一颗SoC IC中,近乎浓缩一个装置所需要的所有功能。在维持稳定、省电、小体积、高整合的前提下,目前的发展则开始朝高效能领域,也就是自2009年Computex后,ARM不断强调的行动运算。

x86身陷泥沼 效能与能耗难两全

  Kevin Kitagawa认为,英特尔的Atom主要用来作为低成本笔记型电脑和小笔电(netbook)的超低功率处理器。但即使是采用45奈米制程技术,它仅能提供1998年代Celeron处理器的一半效能,且功耗在2.5W~8W之间。此外,这些处理器通常需要搭配北桥/南桥等高功率晶片,使其功耗攀升到22.5W!虽然英特尔试图透过提供SoC的模式,以积极策略跨入嵌入式市场,但是最终将与向MIPS科技这类公司取得嵌入式处理器技术授权的半导体业者相互竞争。

  英特尔已开始提供可授权IP,但仍然缺乏MIPS IP核心所具备的弹性与可扩充性。对英特尔来说,当现今仍有足够制造产能时,授权Atom IP是一不错的策略,但若市场景气再度复苏,MIPS不知英特尔是否仍会专注此一策略,而改为较高利润的PC产品。一旦当制造产能又不足时,相较于Core-2 Quad处理器,低毛利Atom核心的优先顺序自然会降低了。

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Linux 崛起有助嵌入式系统广泛成长

  陈洛则认为,Intel从PC与IPC意欲跨足嵌入式系统,最大的优势仍在于与微软的配合。然而随网路普及,此优势正在逐渐减少,尤其现在几乎有显示器的装置都有连网能力,单机的末端效能不再像过往需要追求高运算能力,Intel虽提供相当统一的平台规划,却对硬体架构与配置诸多限制,相对于ARM或是MIPS,减少许多搭配的弹性。

  微软之外,Linux是嵌入式系统平台使用已久的另一作业系统选择。然而业界并未有一套较统一的系统,直到Android出现后,市场才开始产生新的变化。

  Android是一新兴平台,可与Linux互补,使其更具价值。自智慧型手机开始,接连如入门笔记型电脑、平板电脑、甚至机上盒,宛如著魔般采用Android作为统一平台。 Kevin Kitagawa表示,大部分MIPS开发人员都会采用Linux系统,因为inux是嵌入式系统中一个发展完备的作业系统,同时扮演着下一代连网装置的关键角色。

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Android 独领风骚统合图像式Linux 市场

  Kevin Kitagawa认为,由于Linux和专属系统的不完整(fragmented)特性,应用程式都倾向于针对特定装置使用(device-specific)。在此情况下,只有具备坚强内部软体开发团队的公司,才能将应用程式移植到不同的装置上。 Android之所以能引领风骚,在于它提供了互补、定义完善的软体堆叠,实现在各种不同嵌入式装置上轻松开发与移植应用程式的目标。 Android移除了Linux不完整特性的开发障碍,并在Linux上建立了单一的框架,可使应用程式只需撰写一次就能在多种不同装置上执行。

  总而言之,Linux作业系统和Android平台能为新装置、应用程式、市场、以及商业模式开创令人兴奋的全新局势。届时仍然向OEM客户收取权利金费用的作业系统将受到冲击。当Android和Linux联手证明自己是完备且具商业价值的产品时,使用这些收费作业系统的理由就愈来愈少了。

Android 投下市场震撼弹仍偏向消费性应用

  陈洛表示,Android开发之初,即与ARM积极合作,使用ARM处理器开发Android终端是相当省时且简易的。 Android与ARM皆采取开源的态度,希望藉由开放模式创造更多的产品应用与机会。 Android相较以往嵌入式系统,最大的特性就是:在开发之初,就是以网路应用为出发点,加上一个标准且开源的开发平台。随着各式装置连网的趋势,Android不仅可在手机上创造价值,包括可携连网装置、多媒体播放器、行车系统、机上盒,纷纷评估导入Android的可能性。

  王裕瑞则提出较为不同的看法,王裕瑞认为,Linux在嵌入式系统领域使用已久,有其市场价值,而Android开源也对业界投下一颗震撼弹,因此吸引不少厂商的投入,以多媒体为主的产品采用这套系统固然有其市场需求,然而在控制领域,目前Android改版过于频繁,却不见得是好事,尤其许多产品讲求稳定以及长时间销售,是否容易开发与修改反而是其次。

时脉与能耗难兼顾多核心仍是众望所归

  嵌入式系统如何达成效能提高的使命?时脉固然是经典手段,但碍于材料科学以及能耗,嵌入式系统透过高时脉追求效能仍有极限。陈洛认为,多核心是当前重要的趋势。 ARM在接下来的Cortex A9以及Cortex A5,皆会透过多核心强化产品效能。以ST-Ericsson针对手机的嵌入式核心产品为例,相较时下它厂采用近1GHz时脉,这一颗采用Cortex A9架构的处理器仅有500MHz,却是双核心架构。全速时,两颗核心皆以高时脉运作,但当待机时,可关闭其中一颗核心节省能耗。虽然现在证实,ARM架构处理器依旧能够突破2GHz时脉,但是发热问题将会使产品脱离嵌入式核心的初衷,陈洛表示,一定程度的时脉搭配多核心,将是嵌入式平台未来的发展方向。

  MIPS表示,随着高解析度、高频宽多媒体内容移植到新的数位家庭和可携式装置中,设计人员需要能够提供高效能多媒体处理,并同时能针对低功率进行最佳化设计的处理器IP。需要处理大量资料的应用程式,不管是多媒体应用或高效能网路,都是MIPS科技处理器所擅长的: 能为开发人员提供建置较长电池寿命、以相同功率预算在晶片中整合更多特性、或以相同功率提供更高效能与更快使用者体验的能力。拥有业界最佳的每微瓦(milliwatt)效能,MIPS核心是下一代融合(converged)产品的理想选择。不同于提供通用型(one-size-fits-all)方案的做法,MIPS可为半导体业者提供选择的弹性,因此更具竞争优势。

  MIPS可提供通过验证的架构,以及具弹性、可合成的处理器核心,因此客户能为其设计选择最佳的配置透过与MIPS这类的可信任IP伙伴合作,厂商不仅能得到最佳的价格、效能与面积组合,以协助他们达成设计目标,同时还能获得成功所需的软体堆叠、开发专业。

多核心与高整合既节能又带来效能

  以瑞萨的角度,固然时脉是提升效能的有效方式,王瑞裕仍认为,并非所有的产品都需要高效能。但以车用电子应用为例,例如车用的引擎控制的机制,即需要快速的反应与判断,对效能的需求日渐显著。但时脉不可能无止尽的提升,一方面是工艺与材料科学,另一方面则是与节能的趋势相违背。透过多核心可有效的提升产品性能,另一方面整合其他的辅助功能,降低处理器的运算负担,又可针对不同的需求用更有效率的方式达成目的。例如瑞萨大量整合高效能ADC、DAC与OP的类比功能,减少嵌入式系统的BOM,并且使产品更具效能与市场竞争力。兼顾效能与能耗,并非缘木求鱼,多核心加上高整合,就是可行之道!

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