根據研究機構IMS Research的報告，在2011年規模達1110億美元的處理器市場營收中，有超過一半的比例是來自在單晶片中結合不同類型處理器核心的異質架構，充分顯示出異質架構技術在處理器市場中的重要性。

而異質架構趨勢的興起，可從英特爾和超微於2010年起推出整合運算（CPU）和繪圖處理單元（GPU）的個人電腦處理器開始。現在，隨著智慧型手機和平板電腦的全球熱賣，此趨勢已由行動裝置的應用處理器接棒，繼續發揚光大。

應用處理器鎖定的不僅是快速成長的智慧型行動裝置市場，在三網融合、雲端運算技術的推進下，未來更是與電視接軌，搶攻三屏一雲概念商機的重要關鍵元件。也因此，這塊大餅已成為蘋果、Broadcom、TI、Marvell、聯發科、高通、三星等一線半導體業者，甚至台積、聯電、三星等晶圓代工廠的兵家必爭之地。

圖一 : 蘋果雙核心A5x，將繪圖核心從兩顆增為四顆。

業者競逐多核心應用處理器市場

Strategy Analytics的研究數據指出，截至目前，雙核心應用處理器約佔智慧型手機銷售量的20％，主要都是用在高階機種。為進一步擴大商機，業者正積極將雙核心處理器朝低價智慧型行動裝置發展，並同時開發更高階的四核心應用處理器。

在今年三月的全球行動通訊大會上，Nvidia、高通和海思（HiSilicon）都發表了新款四核心應用處理器，正式宣示了行動裝置將從今年起邁向四核心時代。

接著，今年五月，三星也推出Galaxy S3智慧型手機用的新款32奈米Exynos 4212處理器，採用四核心Cortex-A9，與Mali-400MP GPU架構。甚至預告說，將於兩年內導入ARM的「Big.Little」設計概念，包括4顆A15和4顆A7，進一步提升效能。

根據IEK的資料，高通、TI、三星、Nvidia和蘋果等大廠共佔了高達82％的應用處理器市場。國內的聯發科雖有產品，但並不強勢，也已於日前推出平價手機用雙核心晶片，預計明年推出四核心產品。

儘管領先廠商積極搶進四核心設計，但是另一方面，眾所矚目的蘋果新款iPad於三月上市時，其A5X處理器的設計概念卻是讓人跌破眼鏡的仍採用雙核心設計，反而是藉由增加GPU數量來提升效能。

GPU的重要性日漸提升

隨著行動裝置的使用者繪圖介面（GUI）解析度已朝Retina （視網膜）發展，再加上60Hz訊框率的需求，以及手機/平板電腦將成為搭配HDTV的媒體顯示中心，這些都使繪圖功能的重要性日漸提升，這可從蘋果的設計策略得到證實。

原先業界期望新iPad會改採四核心的A6處理器，但蘋果仍維持與舊版A5處理器相同的1GHz Cortex-A9雙核心，但卻把Imagination的PowerVR繪圖核心從原來的兩顆增加為四顆。

新款A5X處理器能支援2048x1536的解析度，各是原來iPad 2（1024x768）水平和垂直解析度的2倍，等於是原有總畫素數的4倍。為了強調雙核心處理器仍能有優異效能，蘋果甚至直接訴求其A5X比四核心的Tegra 3還優。

不過，另一方面，根據Chipworks的拆解報告，採用三星45奈米技術的A5X處理器晶粒面積為165mm2，比A5的123mm2大了不少。相較之下，Nvidia的Tegra 3，採用台積電的40奈米製程，僅有82mm2，甚至英特爾的32奈米雙核心Sandy Bridge晶片也只有150mm2。

面對其他業者積極採用四核心設計，雖然現階段蘋果以四核心GPU的做法來滿足高解析度需求，但業界認為蘋果仍有可能在今年下半年推出32奈米或28奈米的四核心A6處理器以因應更高的系統效能需求。

僅管如此，蘋果A5X處理器設計已充分顯示出GPU的重要性，同時，高通和三星也積極採用最先進的GPU技術來增強處理器的顯示與播放效能。由於更佳的GUI需要更高的畫素處理能力，不僅行動裝置如此，資通訊娛樂系統、後座娛樂裝置、多螢幕顯示等其他產品也朝此趨勢發展，因此，對消費娛樂體驗來說，為了提供更具差異化特性，未來GPU必定將扮演日益重要的角色。

圖二 : nVIDIA正與領先遊戲業者合作，目前已有多款四核新最佳化的應用程式上架到Google Play。

異質架構的未來

過去，行動GPU的效能遠遠落後桌上型電腦，但隨著市場需求興起，行動GPU的效能早已不可同日而語。根據台積電的資料，在製程技術推動下，行動GPU 2007年時效能還不到1 GFLOPS，今年採用28奈米技術，已可達到12～30 GFLOPS，明年移轉到20奈米技術，更將進一步提升到100～200 GFLOPS，是一大躍升。

在更高的繪圖效能帶動下，可以預見，未來幾年行動裝置將能享有更佳的視覺體驗。

圖三 : 近年來行動GPU的效能快速提昇，預計到明年就可達到100~00GFLPOS<資料來源:台積電（2012/6）>

行動GPU的演進

而從概念上來看，GPU因為具備平行處理特性，能夠更容易擴充效能。Imagination技術部門行銷副總裁Tony King-Smith認為，GPU能以95％的線性度增加效能，而且不會增加撰寫應用程式的困難，未來GPU將可能會佔SoC近一半的面積。

的確，雖然從硬體規格來看，CPU核心數越多當然就意味著效能更高。但事實上，由於CPU的序列處理特性，多核心會顯著提升應用程式撰寫的困難度，效能提升的效益不如增加GPU來得顯著。

目前，市場上還是有許多行動軟體並未針對四核心進行最佳化設計，大部分應用程式還是僅用到一或兩顆核心。對此，Nvidia正與領先遊戲業者合作，目前已有多款四核心最佳化的應用程式上架到Google Play。預計到年底，更多的四核心軟體將能就緒。

為了真正發揮多核心CPU+GPU異質架構的優勢，超微、ARM、聯發科、Imagination、TI等五家業者已共同成立HSA（異質系統架構）基金會，希望透過開放、標準化的異質架構編程模式，加速異質架構處理器的發展。這對處理器技術的技術進展來說，是很重要的里程碑，雖然目標不容易實現，但值得期待。

此外，就晶片設計的來看，多核心處理器必定會面臨記憶體頻寬和整體系統功率的重大瓶頸。所以，除了單晶片異質架構的發展，未來整合應用處理器與記憶體的3D IC堆疊技術，因為能有效解決高效能系統帶來的功率挑戰，也會是下一代應用處理器另一個重要趨勢，而台積電CoWoS（晶片─晶圓─基板）技術的進展將是觀察重點。

（作者為本刊特約主筆）