PC處理器新變革：SoC高度整合、行動優先、異質運算
作者 : Kristof Beets，Imagination技術創新副總裁
隨著工作負載的日益多樣化，晶片供應商需要考慮對晶片進行最佳化以提供最佳化性能，同時滿足功耗和效率要求，這意味著不僅要選擇最佳化的GPU和NNA，還要將這些處理器與高效的CPU和其他運算元素整合到彈性的異質陣列中...
現今市場上所推出的筆記型電腦，其晶片架構設計可能與幾年前有很大的不同，筆記型電腦的晶片整合度變得更高，系統單晶片(SoC)設計思路越來越向手機等行動裝置靠攏，尤其隨著遠距辦公變得普及，消費者對高性能、低功耗、長續航力筆記型電腦的需求相應提升，也推動著廠商對筆記型電腦晶片進行革新。
這為具有行動端晶片研發能力的公司開啟了新的市場機會，這些公司發揮其優勢，在確保筆記型電腦高性能的同時，還能降低功耗，並將繪圖技術、神經網路加速、安全和I/O等整合到具有統一記憶體架構的單個SoC中。現代電腦正在捨棄原來的形式——一個包含CPU、記憶體和插入顯示卡的盒子，取而代之的是許多可能擁有桌上型電腦的使用者會考慮選擇具有單一、高度整合晶片的筆記型電腦，PCI Express介面變得更少，除了更低的功耗和更少的頻寬消耗之外，這種晶片架構更容易實現，成本也更低。
基於這種高度整合，現今的高階電腦無論是迷你桌上型還是可攜式筆記型電腦，很快就會非常相似智慧型手機，這為PC處理器的變革奠定了基礎，而Imagination幾十年來則持續協助客戶設計此類的產品。
「行動優先」的GPU設計理念
基於此點考量，原本為桌上型PC提供GPU的公司需要重新考慮其繪圖架構，以跟上不斷變化的需求，不能只專注於設計性能最高的晶片而忽略功率或頻寬，因為現今的筆記型電腦可能在斷開電源的情況下，還要持續常時間工作。
近期有些公司發表的GPU旨在改善功耗，不過25瓦(W)依舊是不小的功耗，同時，筆記型電腦還要加上大電池和風扇，且大部份時間需要連接電源。相較於「行動優先」的GPU設計理念，該理念一開始便專注於在高效的硬體實現高性能。在行動GPU設計中，1W功耗也能有出色的性能表現，因為這是手機所允許的熱預算。與試圖將「蠻力」解決方案塞進高效的電源外殼相比，在針對行動裝置進行最佳化的設計中進行擴展要容易得多。與其使用為高階PC設計的GPU並將其縮小，更明智的是從一開始便選擇為行動裝置設計的GPU，然後將其擴展。
可擴展的重要性
Imagination瞭解如何在高效硬體中提供高性能。迄今為止，該公司透過PowerVR繪圖為超過100億台行動裝置提供了3D繪圖技術。幾十年來開發了許多新製程和技術來提供最佳化的行動GPU，其中便包括分塊延遲渲染(TBDR)技術。
Apple M1晶片是一個很好的例子，其說明了行動優先法則如何帶來優勢，以及完全整合的SoC如何透過TBDR提高性能，進而提高效率。事實上，作為一項行動解決方案，M系列晶片的開發始於2010年iPhone 4中的A4晶片。經過 10多年發展，A14晶片代表了Apple晶片專案的最新一代。A14增加了兩個 CPU核心(在現有的兩個高性能和四個能效核心基礎上)以及四個額外的GPU核心，從而形成了功能強大的新M1架構。這種可擴充性只能透過行動優先的方法來實現，該方法將所有高階功能完全整合到具有統一記憶體檢視的單個SoC中。
Imagination在結合性能和效率方面的專業度顯示於最新高度可擴展的CXT GPU架構，這是第一個針對行動裝置最佳化的光線追蹤架構。在行動電源限制下，CXT提供了以前為高階桌上型電腦繪圖保留的真實照明、反射和陰影效果。
傳統PC晶片供應商即便是最新的GPU也要消耗25W功率，CXT的效率和可擴充性就顯而易見了，但如果使用基於CXT IP的GPU，可以在相同的功率預算內獲得更高的性能，實際上是2.5倍，這不僅可以提供更高的性能，還可以提供光線追蹤等功能，並且這些功能都在相同的功耗範圍內。
基於這種考量的晶片設計，可使晶片供應商和汽車原廠(OEM)打造具有差異化的產品。
另一種創造差異化的可能性是透過在晶片上整合高效的人工智慧(AI)處理器，雖然M1提供此種功能，但還達不到PC標準，這種AI能力通常需要強大的運算能力，Imagination的神經網路加速器(NNA) IP核心能夠將高效、高度可靠及經過晶片驗證的AI推理能力整合到SoC中。
CPU+GPU+NNA的異質運算未來
隨著工作負載的日益多樣化，晶片供應商需要考慮對晶片進行最佳化以提供最佳化性能，同時滿足功耗和效率要求，這意味著不僅要選擇最佳化的GPU和NNA，還要將這些處理器與高效的CPU和其他運算元素整合到彈性的異質陣列中。
Imagination的Catapult RISC-V CPU設計用於高度可擴展運算的環境中工作， 這使其不僅適用於PC，還適用於廣泛的應用場景，例如5G數據機、記憶體、ADAS/自駕車、資料中心和高性能運算等。此外，其乙太網路資料封包處理器(EPP) IP核心則支援處理器和網路之間的數據流，以避免CPU瓶頸。
贏在新PC處理器時代
大型科技公司越趨於從使用現成晶片轉向開發客製化解決方案，希望藉此獲得對其設計的更大控制權，從而在市場上取得優勢，未設計自身晶片的汽車OEM廠商則面臨著更大的挑戰，因為很少有極具競爭力的現成晶片解決方案可用。這為SoC製造商提供了開發最佳化解決方案的機會，這些解決方案可為汽車OEM廠商帶來優勢，所有方案都是為了在相同的功耗範圍內提供更多的性能和功能，以提供更佳的用戶體驗，同時延長電池壽命。
Imagination根據行動設計原則設計了所有IP核心，因為這是客戶創建前瞻性設計所需。借助專為異質架構設計的高效、且可擴展的處理器，SoC製造商將可為其應用選擇正確的運算元素組合，而為客戶提供成功的解決方案。
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