移动处理器疯整合倒逼 big.LITTLE非玩不可？

　　采用big.LITTLE架构的移动处理器系统单芯片（SoC）将全数出笼。随着移动装置对效能与功耗表现的要求愈来愈严格，包括联发科、三星 （Samsung）及瑞萨移动（Renesas Mobile）等处理器业者，均陆续改用安谋国际（ARM）提出的big.LITTLE大小核混搭架构，开发新一代多核心处理器，并将于今年大举推出相关产品，抢占高阶智能手机市场。

　　此外，手机内部处理器、电源管理芯片（PMIC）及触控IC正加速整合，单靠半导体制程演进已渐不敷IC设计商大幅微缩芯片体积，并降低成本的殷切需求，使半导体供应链业者竞相加重三维芯片（3D IC）研发投资，以配合先进制程的导入，实现更高整合度的芯片解决方案。

　　抢进高阶智能手机　big.LITTLE处理器一马当先

　　ARM移动通讯暨数位家庭行销经理林修平表示，由于智能手机功能规格不断升级，同时又要兼顾续航力，因此ARM遂跳脱旧有多核心处理器设计方式，进一步推出big.LITTLE大小核心架构，期针对不同效能需求的手机工作任务，以最佳的核心处理，进而减轻系统负担。

　　big.LITTLE的概念与油电混合车（HEV）如出一辙，可随时切换运作模式，达成较佳的手机效能与功耗规格。如手机70%以上时间处于待机或轻载状态，以低功耗核心处理就绰绰有余；至于需高度运算的少数情境下，则以高效能核心拉高时脉。现阶段，big.LITTLE不仅已吸引近十家处理器大厂授权，包括三星、诺基亚（Nokia）及华为等手机品牌厂亦已计划在新产品中导入，足见此一创新SoC架构已成为移动装置供应链业者的布局重点。

　　除手机、平板芯片业者逐渐往big.LITTLE架构靠拢外，日本的电视SoC开发商，以及ARM架构伺服器芯片供应商均已研拟导入big.LITTLE方案，从而减轻产品在低负载下的耗电量。

　　林修平指出，今年将是big.LITTLE多核心处理器的起飞元年，初期将锁定高阶手机，待明年芯片价格下滑后，即可望渗透至中高价位手机市场。未来1-2年big.LITTLE方案也将获得更多应用处理器开发商青睐，并进一步在平板装置中扩大影响力。

　　事实上，联发科已计划借重big.LITTLE技术，全力在平板市场开疆辟土。看好平板市场成长潜力，联发科去年下半年即开始扩大投资平板芯片研发，并于今年初陆续取得宏碁等品牌厂订单，表现亮眼；今年第三季则将再祭出两款28奈米（nm）四核心处理器--MT6582及MT8135，其中一款即采用big.LITTLE架构。

　　扩张平板市占　联发科力推大小核AP

　　联发科总经理谢清江表示，联发科目前在平板晶片市场的表现较去年底预期好很多，且今年下半年还会有两款新产品问世，有助持续扩大渗透率，因此该公司近期已将2013年全年平板晶片出货目标，由塬先的五百万到一千万颗大幅上调至一千万到一千五百万颗；并将祭出多元客户的市场发展策略，积极拉拢行动装置、个人电脑（PC）品牌厂及资讯服务商（如电子书）。

　　谢清江强调，新一代内建四核心ARM Cortex-A7的MT6582将于今年第三季底量产，并导入28纳米制程。同时，联发科亦正如火如荼开发big.LITTLE大小核SoC-- MT8135，将整合两颗高效能Cortex-A15和两颗低功耗Cortex-A7核心的混合设计方式，以满足高阶平板应用须兼顾芯片效能、尺寸与功耗的要求。目前该方案已开始提供品牌客户样品，预计于第三季小量量产。

　　显而易见，联发科去年底以四核手机处理器平台跨足平板市场，甚至加码推出平板专用的四核心应用处理器都只是小试身手，今年下半年两款更先进的平板芯片才将真正火力全开。目前该公司平板芯片已有50%以上的比重是出货予品牌大厂，且市占率正持续飙高；下半年两款性价比更出色的新产品出炉后，可望吸引更多品牌、资讯服务甚至白牌业者青睐。

　　谢清江指出，年底旗下首款LTE多频多模芯片也将问世，将搭配四核心应用处理器，协助客户的新产品升级4G规格。2014年则将再发布整合应用处理器与LTE基频处理器的四核心SoC。

　　因应IC设计业者对big.LITTLE架构的需求，林修平强调，从Cortex-A7/A15以后，ARM未来的处理器核心都会以支援 big.LITTLE为主要考量；同时将投资更多软硬体开发资源，加速下一代big.LITTLE方案问世。其中，三维（3D）电晶体或3D IC设计将是后续重要发展方向，目前ARM已与台积电、多家芯片商共同研发16奈米鳍式电晶体（FinFET），以及立体芯片堆叠制程。

　　手机芯片疯整合　3D IC非玩不可

　　平价高规智能手机兴起，加速驱动内部芯片整合与制程演进；然而，20奈米以下制程研发成本极高，但所带来的尺寸与功耗缩减效益却相对有限，因此半导体厂已同步展开3D IC开发，以实现更高的芯片整合度，其中，三星已率先宣布将于明年量产。

　　拓墣产业研究所半导体中心研究员蔡宗廷表示，2013-2015年手机内部芯片将以应用处理器为核心不断向外整并，并导入20纳米以下先进制程，包括基频处理器、联网模组及射频（RF）收发器均将合而为一。此外，电源、影音和触控IC也将逐步整合成SoC；而各种微机电系统（MEMS）感测器则透过封装技术组成感测器集线器（Sensor Hub），届时手机内部标配芯片将从2012年的十二颗，迅速缩减至六颗左右（表1）。

　　

　　众所皆知，提高芯片整合度的关键在于制程微缩，然而，晶圆厂从28纳米跨入20纳米后，因面临半导体材料物理特性极限，以及巨额的设备投资，闸极制作成本却仅能下降3.34%，远远落后前几代10.33%的水准；而面积也只缩减28%，不如先前每一代演进大多能达到40%的改善；种种因素将导致20纳米约当八寸晶圆价格飙涨35.42%。

　　随着制程微缩的投资报酬率逐渐失衡，半导体厂遂转攻3D IC。2013年新加坡国际半导体展（SEMICON Singapore）中，三星、高通（Qualcomm）均揭晓新一代Wide I/O记忆体加逻辑芯片的立体堆叠设计，前者因同时拥有记忆体与应用处理器技术，更一马当先宣布将于2014年投产。

　　对封测业者而言，3D IC更将是巩固未来营收的重要武器。蔡宗廷分析，一旦手机标配芯片的封装需求砍半，将大幅影响封测厂营收来源，因而刺激硅品和星科金朋（STATS ChipPAC），积极布局技术含量及毛利较高的3D IC封装技术，包括晶片面对面堆叠（F2F Stacking）、2.5D硅中介层（Interposer）等。

　　除封测厂外，台积电也全力冲刺CoWoS（Chip on Wafer on Substrate）制程商用，吸引设备厂加紧部署新方案。蔡宗廷透露，3D IC须进行硅穿孔（TSV），流程相当耗时，导致成本高昂；为此，东京威力科创（Tokyo Electron）近期已发布一套新流程，并透过改良蚀刻（Etching）、清洗（Cleaning）和内埋（Liner）设备，节省晶圆阻挡层 （Barrier）、化学机械研磨（CMP）的制作时程，让3D IC晶圆生产加快一倍。同时，由于台积电正逐渐增加在地採购比重，因此台商弘塑也已投入研发3D IC蚀刻设备，积极争取订单。

　　蔡宗廷强调，移动装置平价高规的发展势不可当，以苹果（Apple）为例，从2010年推出售价650美元的iPhone 4以来，下两代产品价位均维持同样水准，但显示面板、处理器和记忆体等硬体规格却大幅跃进；同样的状况也发生在其他Android手机品牌上，因而加重芯片商产品整合度、生产成本压力。



　　解读BIG.Little技术：ARM为何选择八核处理器？

据国外媒体报道，多核心处理器一直被认为是电池续航时间的杀手，但ARM基于BIG.Little技术的八核处理器颠覆了这一观点，该处理器性能更高同时更加省电，这表明处理器多核化似乎是一个正确的选择。

　　高性能VS低能耗

　　普遍的观点认为，多核处理器是电池续航时间的杀手，因此究竟是选择高性能设备还是选择低能耗设备，许多用户都会犹豫不决。但ARM首席战略家最近接受采访时表示，上述观点并不正确，该公司基于BIG.Little技术的全新八核处理器实际上更加省电。

　 　在选购PC的时候，你确定自己“需要”四核处理器么？或者，你是否曾经考虑过购买一台搭载八核处理器的Windows PC 呢？在PC行业，多核技术的诞生用了超过10年时间，但在移动设备领域，进入多核处理器时代只用了3年时间。2010年，首款搭载双核处理器的设备面世， 而在三星最近推出的国际板Galaxy S4中，其处理器高达八核心。但我们必须思考，移动设备真有必要使用这么强大的处理器么？这是否只是一场作秀？

　 　许多人能想到其中的关键，毕竟更多内核也就意味着更高的能耗。对智能手机来说，当采用双核、四核甚至八核处理器时，其对电池的续航要求将明显增高。和台 式PC不一样，如果手机在充足电的情况下仍然无法使用一天时间，那么其对用户的吸引力也将非常有限。按照传统的观点，计算机的CPU越强、内核越多，电池 续航时间就表现越差，设备的发热程度也越高。智能手机内部结构非常紧凑，因此电池同时为无线连接、显示屏、多核处理器供电，要确保续航时间就非常困难了。

　　BIG.Little技术

　　基于这一原因，当业界推出移动芯片内核数量再次翻倍时，其实用价值也遭到了多方质疑。但在ARM采访时，该公司首席战略家明确表示，ARM最新的八核处理器不仅能完美运行，并且在性能及能耗方面也有了明显提升。

　　ARM高管表示，与该公司此前推出的Cortex处理器相比，基于全新技术的八核处理器更为高效。这意味着，采用八核心处理器的国际版Galaxy S4，其电池续航时间将明显优于美国版。

　 　ARM首席移动战略家詹姆斯•布鲁斯（James Bruce）指出，内核的实际数量并不是其中的关键，更重要的是它们在智能手机中的使用和优化方式。他说：“采用最新技术的八核处理器，具有小核心和大核 心之分，这种设计能够让智能手机更加高效。在ARM，我们将这种技术称为BIG.Little，这也是我们在打造下一代处理器时关注的重点。”

　　big.LITTLE介绍

　　big.LITTLE 处理解决了当今行业面临的一个难题：如何创建既有高性能又有极佳节能效果的片上系统 （SoC） 以延长电池使用寿命。big.LITTLE 将 ARM Cortex-A15 MPCore™ 处理器的性能与 Cortex-A7 处理器的节能效果结合在一起，使同一应用程序软件在二者之间无缝切换。 通过为每个任务选择最佳处理器，big.LITTLE 可以使电池的使用寿命延长高达 70%。

　　big.LITTLE 处理的设计旨在为适当的作业分配恰当的处理器。Cortex-A15 处理器是目前已开发的性能最高的低功耗 ARM 处理器，而 Cortex-A7 处理器是目前已开发的最节能的 ARM 应用程序处理器。可以利用 Cortex-A15 处理器的性能来承担繁重的工作负载，而 Cortex-A7 可以最有效地处理智能手机的大部分工作负载。这些操作包括操作系统活动、用户界面和其他持续运行、始终连接的任务。

　　Big.Little 系统中两个处理器之间高效无缝地切换工作负载是通过开发高级 ARM 系统 IP 实现的，这样可确保 Cortex-A15 和 Cortex-A7 处理器之间完全的高速缓存、I/O 的一致性。

　　AMBA® 4 ACE™ 一致性扩展、高速缓存一致性互连和中断控制器提供整个系统的完全一致性，支持软件和应用程序持续无障碍而且不被用户察觉地运行，重新均衡任务以提供最佳的 big.LITTLE 用户体验。

　　首款Big.Little结构CPU

　　三星在CES 2013大会上发布了Exynos 5 Octa 八核移动处理器，这款处理器也是采用Big.Little结构的第一款CPU。

　 　三星 Exynos 5 Octa 八核芯片其实是由两颗四核处理器封装在一起。一颗 1.8GHz 的 Cortex-A15 架构的四核处理器和一颗 1.2GHz Cortex-A7 架构的四核处理器。据三星解释，高性能的处理器将用来处理更加复杂的运算，平时一般使用的时候则采用低性能的处理器，两者可以根据使用情况不同进行协同， 因此也能有效降低功耗。Exynos 5 Octa 采用了 28 纳米的制作工艺，号称功耗比市面上的四核处理器降低了 70%，但是性能却提升了 2 倍之多。