多媒体应用处理器效能强化关键

行动终端装置由于多媒体应用广泛，而且对质量的要求更甚以往，例如，2D显示提升为3D显示，而同时进行影音、通讯、导航…等任务，已是基本应用!从基频处理器外分出专用多媒体应用处理器，甚至还必须大规模强化多媒体应用处理器效能，应付日渐繁重的处理需求…

图说：行动终端装置应用愈来愈丰富，但系统能应用的资源却相对有限，如何让装置展现最佳多媒体呈现效果?处理器架构与效能绝对是重要关键!时下如PDA、PMP、PND…都需要极高运算效能支持，架构最佳化多媒体应用处理器与系统环境，已是这类行动装置实用价值的重要基础…

手机、数字电视、数字相机、个人导航装置(PND)、可携式播放机(PMP)…等，处理原本主要用途的组件，称为基频处理器(Baseband Processor)，不过在多媒体运用，特别是愈强调质量的影音播放用途，已超越基频处理器的处理能力，因此，多媒体应用处理器(Multimedia Application Processor)，成为行动装置中协同处理器一员。

换言之，多媒体应用处理器原本只是行动装置内众多处理器的1种，以手机为例，内部处理器根据IDC定义，有高阶多媒体应用处理器(High-End Multimedia Application Processor)、基频或整合式基频处理器(Integrated Baseband Processor)、操作系统应用处理器(OS Application Processor)、多媒体应用处理器(Multimedia Applications Processor)、多媒体协同处理器(Multimedia Co-processor)、相机影像协同处理器(Camera Coprocessor)、及LCD屏幕控制器(LCD Controller)…等7种。

述众处理器中，现今多媒体应用无论质与量都与时俱进的市场趋势，多媒体应用处理器在许多原本并非职司此道的行动装置上，反成了重要组件!其设计与发展趋势足以影响行动装置整体表现。

高质量多媒体应用渐多　多媒体应用处理器强化效能

多媒体应用处理器发展迄今，第1个重要的设计方向，便是强化效能。作法分为2类，其一是在原本架构上，作更进一步加强、调校，直接的作法是提升频率，并非线性提升，更重视每频率所能带来的效率(如MIPS或DMIPS/MHz)，所以，微架构调整也相当重要。

多媒体应用处理器微架构强化方向相当多，举例而言，使用更高效率超纯量管线(Super-scale Pipeline)，让单一频率能执行多重指令;强化浮点运算单元(FPU)，如加快单倍与双倍精准度纯量运算作业速度，并加入额外16位浮点运算数据类型转换指令，增进与嵌入型3D处理器间数据交换速度;内建多媒体处理单元(Media Processor Engine)，支持SIMD运作模式，如每周期能处理8、16、32位整数与32位浮点运算数据，甚至支持混合数据类型，排除封装/解封装耗费的资源，及结构化加载/储存功能，让数据不必于演算格式与机械格式间来回转换。

在微架构外部方面，可强化与内存间存取效率，如加大快取容量/频宽、降低迟延，解决L1/L2快取间的一致性问题，例如，设立1个侦测控制单元(Snoop Control Unit;SCU)然而，任何接触内存中的关联区域存取，SCU都将进行监控，测试要求的信息是否已储存在处理器L1快取中，若信息已存于快取内，就直接传回发出要求组件，否则会利用最佳化算法，尽量使数据尽可能利用L2快取，藉此排除直接写入芯片外部内存衍生的功耗，并提高整体效能。

单核心最佳化，面临多任务处理时发生瓶颈，例如，1个行动终端可能同时进行视讯/音讯播放、导航定位、数据库搜寻、无线传输…等工作，效能再强大的单一多媒体应用处理器，往往也因此捉襟见肘，所以，多核心成最佳解决方案。不过此处必须说明，这里谈的并非基频/多媒体应用处理器封装在一起的异质多核心架构，而是多媒体应用处理器本身就采用同质多核心运作。

多核心架构带来效能提升，在软件支持环境下，利用新增指令让多核心处理器于程序执行时，动态从超纯量执行切换成执行多个并行执行绪，建立程序内执行多执行绪机制，仅双核心针对译码MPEG-2效能，就比单核心提高52%!不过，多核心真正的价值，除直接效能性提升外，更重要的是多核心处理器还能充分利用不同应用指令间的平行处理(Instruction-Level Parallelism;ILP)和执行绪阶层平行化(threading-Level Parallelism;TLP)，换言之，具较高ILP与TLP应用，对于多核心架构适应力较高，效能提升幅度也会更大。

至于采多核心的负面影响，则分为硬件与软件方面。硬件方面是在寸土寸金的行动终端装置，多了1组核心，就表示多1倍晶体管，但多数应用环境中，效能却并非等比提升1倍，但目前半导体技术进步，多核设计可有程度不等的晶体管共享(如L2快取或内存逻辑控制电路共享…等)，降低多核芯片尺寸与功耗。

反而软件问题比较复杂，例如，多个执行绪甚至应用程序存取同1个内存区块问题，如果，某1个程序没有针对多核心运作最佳化，可能就会让系统不稳定，因此，因应多核环境修正嵌入式软件与针对多核心最佳化，是目前推展多核心多媒体应用处理器颇大的阻碍。

不过，总体来看，就如同x86处理器在频率发展遭遇高耗能与高热瓶颈后，即透过多核心抒解的发展轨迹，多媒体应用处理器采多核心抒解性能瓶颈，也是必然趋势，不过多核心对于芯片面积更为敏感，因此，半导体制程进展成为开发关键。此外，多核心架构的省电机制设计也相当重要，如果分配得宜，能比单核心更省电、且效能更高。

图说：多媒体应用处理器设计的首要目标，是弹性架构与效能强化，以适应各种装置需求。(Toshiba)

图说：多核心运作可强化处理器架构，也是多媒体应用处理器设计趋势，但软件支持度仍有待考验。(ARM)

单核发展面临瓶颈　多核心技术应战