向22nm迈进 全新的Atom处理器揭秘

Atom诞生之初，即是面向上网本和小体积、低功耗的便携式娱乐设备。但随着ARM处理器的快速发展、智能手机和平板的全面普及，上网本等设备的市场空间被大幅度挤占甚至即将退出市场。在这种情况下，英特尔逐步将Atom处理器进化到22nm的产品线上，并以全新的平台和SOC芯片方式亮相。究竟英特尔有什么目的，新的Atom处理器的优势在哪里?本文将为你揭秘。

自从苹果发布iPad的那一刻起，上网本这类小尺寸的上网设备就似乎注定了衰落。不过即使这种设备衰落了，但其蕴含的技术却不一定会消失。Atom，这个当初专为低功耗、小体积设备设计的超低功耗处理器，在英特尔的手中却并没有像上网本那样慢慢失去关注，它反而焕发了新的光彩。现在，英特尔将Atom进一步升级到22nm，并给予更多全新的特性，让其在超低功耗市场上赚取更多的利润。

Bay Trail，Valleyview，Silvermont

说起这三个单词，想必多数人都有些摸不到头脑。实际上，这是英特尔新一代22nm Atom平台的相关研发代号。首先来看Bay Trail(对应本代产品为Cedar Trail)，这是整个22nm超低功耗平台的代号。和本代产品相比，22nm平台已经彻底SOC化，也就是说南北桥等辅助芯片将不复存在，英特尔用一颗芯片解决问题，这颗芯片(平台)的研发代号就是Bay Trail;其次是Valleyview(对应本代产品是Cedarview)，SOC芯片中的处理器代号就是Valleyview;接下来是Silvermont(对应本代产品是Saltwell)，是CPU内核架构代号。Atom的内核架构从诞生的那一天起到现在基本上没有太大变化，所谓的架构升级多是在缓存、处理器制程方面进行调整，内部架构调整则是少之又少。(图1)

图1

搞清楚了新一代Atom处理器的代号后，再来看英特尔全新的Atom处理器的发展路线图，我们或许就能从中看出一些门道了。

从图2中来看，下一代的Atom处理器以及相关产品主要分为两个产品线。其中一个是主流产品线，另一个是使用电池供电的产品线。简而言之，前者使用交流电，对性能更加敏感，后者则对功耗等更为敏感。在之前的产品线中，英特尔分为了多个系列，比如Cedar Trail面向桌面平台、Queensbay则是面向一些基于PCI-E的I/O设备等。不过英特尔可能认为这样的分类过于复杂，因此在新的Atom中，Bay Trail成为了全能多面手，几乎可以在任何场合完成任务，唯一的区别就是针对不同的客户封装有所不同。此外，英特尔还会单独设计面向通信市场的Atom处理器，不过这并非本文的关注重点。新的Atom系列约在2013年第四季度上市，并替换之前所有的产品。

图2

一体化，更轻巧——新Atom的技术特色

英特尔有能力将之前区分市场的Atom产品统统归为一类，是相当有底气的，毕竟用户和市场会对产品提出不同的需求，比如功耗和体积等。英特尔的底气在于全新的SOC芯片设计以及22nm的制造工艺，再加上可以提供不同的接口，这样就能基本上满足所有用户的需求了。

更小体积的22nm工艺

22nm的威力用户或许已经在第三代Core处理器上看到了，初代22nm工艺就能进一步降低CPU功耗并大幅度缩减CPU体积。用到Atom上，英特尔就可以使用新工艺将传统的南北桥、集成显示核心以及CPU全部压缩在一起，并很好的控制CPU的体积和发热量。此外，在新的Atom开始生产后，22nm工艺的表现应该会比现在还要更为出色。目前英特尔尚未有官方数据公布新的Atom的功耗指标情况，但从其给出的使用范围来看，新的Atom处理器SOC芯片功耗可能会低至3～5W，甚至更低。这样才可以在诸如车载娱乐、数字标牌和超小型媒体设备等对功耗要求比较严格的地方使用。

最多四个CPU核心

除了22nm工艺外，新的Atom的特色就在于SOC化。英特尔给出了SOC芯片的内部设计，一颗四核心Atom处理器的内部结构图，并向用户展示了一颗SOC芯片中所包含的复杂组件。(图3)

图3

英特尔没有提及新一代产品中CPU部分是否有改动，不过几代以来Atom的CPU精简x86的设计思路，简化了前端分支预测和部分后端单元，预计在Valleyview上也不会有太大变化，依旧是顺序执行、双发射的设计。其整体性能肯定无法和桌面主流产品相比，但好处在于超低功耗。新一代的Valleyview最多拥有四个22nm制程的Atom处理器核心，每个核心带512KB二级缓存(图片中双核心带1MB缓存仅仅是为了示意)。英特尔没有提及CPU核心之间的通讯情况，不过At om处理器核心性能本来就不强，对带宽要求并不高，采用传统的前端总线架构是完全可行的。频率方面，新一代的Atom处理器频率从1.2GHz到2.4GHz，核心数量配置可以是单核心、双核心及四核心。另外，新的Atom处理器核心已经开始支持64位技术了。除了为64位应用作好准备外，主要考虑的可能还是内存支持问题，毕竟32位处理器只能使用4GB内存，这在很多场合已经捉襟见肘、难以为继了。

在内存支持方面，新的Atom处理器支持双通道DDR3L(DDR3L 1066/1333)和DDR2L(DDR2L 800)内存，也开始提供对ECC内存数据校验的支持(只支持单通道ECC内存校验)。内存容量上最大只能支持8GB，一般来说8GB内存容量已经可以满足目前的应用了。

图形性能有大幅度改善

在用户比较关心的图形性能方面，新的Atom中整合了4个英特尔第七代图形引擎，每个引擎拥有2条渲染单元。所谓英特尔第七代图形引擎，实际上和Ivy Bridge英特尔高清显卡属于同代产品。不过新的Atom中最多只有8个统一渲染单元(英特尔没有说明是整个新Atom中一共集成了2个渲染单元，还是每个引擎中存在2个渲染单元，本文暂时认为每个引擎中有2条渲染单元)，而Ivy Bridge中配置了16个(频率不一样)。根据英特尔说法，新的Atom的图形性能相比之前Atom E600系列提升至4～7倍，基本可以在低特效下运行目前一些主流的3D游戏。此外，英特尔没有说明新Atom中集成的图形核心是否能支持DirectX 11和OpenGL 3.0，也没有说明是否有硬件曲面细分单元等。但其存在的必要似乎不大，毕竟嵌入式应用中几乎不会用到这些高级特效。[!--empirenews.page--]

在高清支持方面，新的图形核心支持H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、VC-1/WMV9的解码和H.264、MPEG2的编码，此外一个额外的Imagination PowerVR VXD392解码引擎可以支持H.264、JPEG及VP8解码。整个核心可以同时解码四个480p，或者三个60FPS的720p影像，或者两个30FPS的1080p影像。在标清解码的情况下，CPU占用率不超过3%，高清则不超过5%。输出接口方面，新处理器支持VGA、HDMI 1.4a、DP、eDP、MIPI DSI等诸多接口，基本可以满足绝大部分场合的使用。

首次内置南桥

虽然之前的Atom CPU已经将北桥内置在其中，但南桥功能依旧由一颗外置芯片完成，甚至可以通过更换南桥芯片来获得不同的外设支持规格。不过这一次英特尔将南桥彻底集成在CPU中，如果需要特殊接口支持的话，英特尔则提供了PCI-E的转接渠道。

目前英特尔给出的新Atom集成南桥，并支持PCI-E x4、两个SATA 2.0、四个USB 2.0以及一个USB 3.0、千兆网卡等多个常用接口。此外，英特尔还在芯片中内置了HD高清音频功能模块、SD模块以及其他一些不太常见的工业接口、嵌入式I/O等特殊模块，功能支持相当齐全。(图4)

图4

当然，一颗南桥芯片肯定是无法满足所有需求的，英特尔还特别设计了PCI-E设备转接接口以及一些专业接口，以满足特殊用户需求。英特尔利用PCI-E x4的接口，除了可以提供额外的PCI、USB接口外，还能够为FPGA设备、IOH设备等提不同的行业的特殊需求。

面向不同用户的封装接口

为了在只有一颗芯片方案的基础上支持所有不同类型用户的需求，英特尔设计了两种不同的封装接口。其中Type-3接口稍大，尺寸为27mm×25mm，面向对体积要求不那么敏感的设备，如上网本、入门台式机等。这种封装支持完整的双通道内存DDR3L和ECC内存，支持VGA接口，拥有2个SATA接口和PCI-E x4接口;另一款Type-4体积较小，主要面向平板电脑和一些超迷你的设备，封装尺寸为17mm×17mm，只能支持单通道DDR2L内存，不支持ECC，SATA接口被削减到了1个，而PCI-E通道也被削减到只有3个。此外，它也不支持千兆网络。(图5)

图5

除了封装不同外，Type-3封装接口的Atom处理器还根据不同用户划分了三种不同的版本。首先是面向车载娱乐、嵌入式领域的Valleyview-I，支持单核心到四核心，不同核心数量的CPU核心频率从1.2～2.0GHz不等。其次是面向上网本的产品Valleyview-M，也是最多的四核心，核心频率最低为1.7GHz。最后则是面向入门级台式机等产品的Valleyview-D，频率1.7GHz起跳，拥有双核心和四核心版本，并且支持动态加速技术。还有另一种是采用Type-4封装的Valleyview-T，四核心最低频率为1.6GHz，支持动态超频且大于1.9GHz。(图6)

图6

是独角戏，还是阻挡ARM侵袭?

发展到今天，Atom或许已经成为了市场上的独角戏。为何有此一说?有两个原因。首先，AMD的E系列APU发展到今天，基本上没有对Atom本身造成重大的威胁。Atom甚至连CPU架构都不需要更新就能在市场上纵横几年，说明英特尔对其设计定位还是相当准确的;另外，与Atom能够形成竞争的只有ARM，一个人在x86的舞台上和发展壮大的ARM相抗衡，这是一出以一已之力抗衡整个ARM联盟的独角戏。

在英特尔公布的Atom平台优势中，重点突出了高I/O集成度、广泛的I/O选择以及高可靠性、全新的工艺以及多种型号等优势。其面向的市场也是平板和上网本、数字展示牌、车载娱乐和其他的嵌入式、新兴市场等。仔细分析来看，Atom的优势和市场，与目前蓬勃发展的ARM处理器市场有颇多重合。比如数字展示牌、平板、车载娱乐以及工业嵌入式等市场。英特尔目前唯一比较牢固的应该是工业市场，Atom低廉的价格、足够的性能和各种I/O成熟的支持以及软件系统积累的优势是其和ARM竞争的最大资本。但发展如此快速的ARM已经变得相当成熟，此外还有众多对其支持的厂商。可以想象，在不远的将来，ARM与Atom必有一场惨烈的厮杀。面对即将到来的威胁，英特尔怎会坐视不管，任其发展呢? (图7)

图7

无独有偶，在英特尔公布的产品支持操作系统中，Windows、Linux、VxWorks等赫然在目，只是没有Android的位置。从产品本身来说，既然CPU架构都没有改变，新的Atom支持Android应该是很容易的事情。但实际上英特尔并未作出任何承诺，Android也没有出现在列表中。英特尔可能并不希望Android利用Atom的优势出现在工业系统中，毕竟软件和硬件都是相辅相成的。Atom未来的发展，看起来是一场无敌手、顺风顺水的好戏，但实际上英特尔面临的暗战一点也不少，ARM的竞争压力也时时刻刻存在着。2013年第4季度，新Atom才正式上线，未来的一切发展，我们只有拭目以待了。(图8)