省電超強小鋼炮：NVIDIA Tegra

如果大家看過前兩篇ARM應用處理器的概述，應該會對ARM核心的基本架構與應用有了相當程度的認知。而本系列文章也將前進到另外一個階段，從本週開始，筆者將從實際產品著手，介紹在手機產品中著名的應用處理器架構，當然，如果大家有興趣知道其他應用架構，或有其它問題，歡迎留言指教，筆者會在之後的專欄中為各位解答。 講到NVIDIA，大家對其最印象深刻的就是顯示晶片了，這十年來，NVIDIA的顯示晶片以超越摩爾定律的速度持續進化著，應用範圍也超越3D顯示，不僅挑戰傳統CPU的領域，如今，NVIDIA的招牌也開始出現在手機等各種嵌入式應用產品裡，也就是Tegra產品線。

本篇將會詳細介紹Tegra的基本結構，讓大家瞭解這款應用處理器究竟包含什麼特異功能、以及NVIDIA獨家的特色。

Tegra家族

目前Tegra包含了兩大產品線，也就是大家熟知的APX2500/2600與CSX600/650，APX是針對手機市場設計，至於CSX則是針對高階車用娛樂與導航、MID、netbook等較大型的設備而來。除了時脈與支援周邊的數量不同，其他都大同小異，1080p解碼已經是必備能力，高階3D繪圖效能更是NVIDIA引以為傲的特色。

一般來說，高效能其實等同於高功耗，這個情況過去在半導體產業屢見不鮮，系統商往往在省電和效能之間難以抉擇，即便是NVIDIA的顯示卡也避免不了。Tegra的解決方式很聰明，就是把各個功能處理單元的功耗設計完全切割開來，當需要個別處理能力時（比如說音訊處理、視訊解碼），就把其他用不到的部分關掉。不過它的細節並不簡單，我們稍後再述。

Tegra的基本結構

▲Tegra二代的架構圖。

Tegra就像一般應用處理器一般，包含了CPU、繪圖、多媒體、IO、儲存控制等必備的基本能力。1代Tegra具有7個核心，2代則是因為導入雙核Cortex-A9，所以多了1個變成8個。當然，這樣的核心區分與定義，有時是為了宣傳方便（NV：你們看，我們家的Tegra隨隨便便也有7、8個核心，Intel的4核心算什麼？Atom的HyperThreading閃邊喘啦！），然而事實上，所有應用處理器的處理單元設計都大同小異，只是要看整合能力的多寡來取捨而已。我們以Tegra 一、二代為主線進行解說。

CPU核心：

這是一款應用處理器核心部分，Tegra一代是採用ARM11核心，二代則是改採雙核Cortex-A9，除了AMR11跟Cortex-A9以外，另外整合了1個ARM7，這個ARM7的功用非常特殊，與高通的MSM 7xxx中的次要ARM9核心有著完全不同的功能取向。

顯示核心：

這顆核心是NVIDIA最自豪的特色之一，Tegra一代架構上基於Geforce 6，具有兩個pixel shader units、兩個vertex shader units 以及兩個texture mapping units (TMUs)，最高運作時脈為130MHz，每秒可以產生高達4000萬以上的多邊形與6億個pixel。當然，這是顆特別打造的GeForce 6，跟以前的市售產品差很多，整體速度大約是GeForce 6100（一個vertex shader、三個pixel shader，時脈425MHz）的一半。即便如此，也已經是Snapdragon繪圖核心速度的兩倍有餘了，也相當於Imagination前陣子所推出的PowerVR SGX545（時脈200MHz）。

▲Tegra 2以超過30FPS的速度運行Unreal 3。我們可以回想一下，PC中的顯示卡到何時才能讓Unreal 3流暢執行？

Tegra二代中的繪圖核心與一代同樣是基於GeForce 6，不過速度比一代提高了兩到三倍以上，基本上這是透過時脈與記憶體頻寬增加而得來的，架構並沒有改變。即便如此，也已經可以在FWVGA解析度上流暢的執行Unreal 3（Tegra一代為Quake 3）遊戲。不過，對於高階遊戲玩家，Tegra一/二代都可以另外附加包含GeForce 9功能以及部分CUDA能力的次晶片（sub die），達成更恐怖的計算能力。

搞不懂為何要另外增加這個晶片？想像一下，整合Tegra 2的NDS HD遊戲機，隨身攜帶時，可以只啟動內建的GeForce 6核心，在FWVGA解析度下遊戲時間可以長達2、30個小時，如果接上基座（內建光儲存媒體的dock station），連接到電視螢幕上，就可以啟動GeForce 9晶片，加上CUDA的平行計算能力，變身成為Wii HD，享受超越PS3的3D效果。當然，這只是合理推論，不準不要罵我…:P

圖形處理核心：

這個部分是負責執行2D圖形顯示以及照相機的功能，連接外部顯示器時，可以提供超過SXGA的解析度，照相機功能最高可支援達1200萬畫素。

HD影像編碼核心：

一代Tegra中，給手機使用的APX 2500/2600並沒有包含這個核心，而是在高階的CSX650才有，在Tegra二代產品線目前還不明瞭。不過目前看來，應該是全線都會支援這個編碼核心。一代中CSX650僅支援到720p影像的即時編碼，Tegra 2的HD影像編碼核心則是提供了1080p H.264的即時編碼能力，不過不清楚可以支援到什麼profile。

HD影像解碼核心：

▲藉由Tegra，在手機上可以輕鬆輸出720/1080p高畫質影片。

這個核心在所有的Tegra產品線上都有，不過能力不一，比如說APX2500/2600、CSX600就被限制在720p，CSX650和Tegra二代都能夠達到1080p的解碼能力。值得一提的是，NVIDIA結合了部分硬體線路設計，而不是像高通採用DSP來解碼，因此不僅效率高，佔用晶片面積小，而且更為省電！硬體線路是執行解碼時負擔最重的部分，並且只內建最熱門的幾種編解碼標準（比如說可被H.264、MPEG-4共用的解碼邏輯，WMV及VC1可共用的解碼邏輯），讓CPU負擔減到最輕。當然，碰到他不支援的編解碼標準，還是只能用CPU硬上了。

音效解碼核心：

▲iPod一到五代都是採用PortalPlayer的音效SoC晶片。

NVIDIA在2007年的時候，用3.5億美元收購了PortalPlayer公司。要知道，蘋果鼎鼎大名的iPod一到五代，整個音效子系統用的都是PortalPlayer的晶片，基本上，這個音效解碼核心，是把過去PortalPlayer的音效處理晶片，剝離ARM的部分獨立而成。跟影像編解碼部分情況類似，大多數工作也是透過硬體線路處理。由於音效編解碼的處理負載小，且各種編解碼模式相當類似，因此即便支援主流音效格式，核心依然能夠維持的非常精緻，且效率非常高。加入預設的幾個預先定義的後處理（post-process）特效與EQ之後，就構成了完整的音效處理核心。

深入研究省電設計

前面提到，ARM7在Tegra之中扮演著非常特殊的角色，它主要負責網路通訊的負載、基本系統工作以及隨時監控系統正在執行什麼應用，並且根據目前載入的應用類型動態關閉用不到的核心。基本上，如果ARM11/Coretx-A9是大腦，那這個ARM7就相當於小腦，而且必要時還能接任大腦的工作。

比如說聽MP3時，ARM7就會接手負責音樂播放列表控制、部分內部儲存IO控制，從小腦變成大腦，並關閉除了音效解碼核心、音效IO（IO部分其實也可定義成為一個子系統，也可根據系統需求，動態開啟或關閉特定的IO回路，但是NVIDIA並沒有特別強調，因為沒人會關心IO在做什麼）以外的其他核心，此時的工作狀態，就有如完全沒有螢幕的iPod shuffle，加上預計有一、兩千mAh容量的電池助陣，想達到上百小時的音樂播放，可以說輕鬆之至！

依此類推，播放影片時，ARM7會則視影片複雜度決定自己上或由主CPU核心（ARM11或Cortex-A9）接手，同時開啟HD影像處理核心、音效核心、影像、音效輸出IO，在這樣的狀態下可以達到十幾個小時的連續播放時間。

最後，玩3D遊戲時，不需要的編解碼核心就可以全部關掉，由於處理器負載高，因此開啟最大運算效能，並且開啟顯示核心與音效核心，ARM7則是在背景定時偵測運算狀態，如果遊戲運算有空隙，比如說遊戲暫停，就立刻忙裡偷閒，關閉目前空閒的部分，藉此延長開機時間。

結論

▲手機上的Tegra應用處理器平均功耗是100mW。這張圖是針對CSX650與Atom的比較。Tegra 2也是號稱平均功耗不超過100mW。

藉由高靈活度的核心設計與功耗調度控制，Tegra1/2達到了空前的效能與功耗表現，包括TI、高通在內的傳統DSP架構沒有人是對手。目前也成功導入包括MP3、汽車導航等多種嵌入式應用！NVIDIA在繪圖架構上還有許多發揮空間，比如說未來一定會把CUDA計算能力整合到Tegra中，進一步提高應用處理器的應用能力。不過，沒有整合3G模組，使得Tegra平台的成本與BOM cost在手機產品上沒辦法與高通競爭（高通：我…我的整合性還是最高啦！效能再高也沒用！能賣贏我再說吧！）不過在高階嵌入式應用市場，Tegra的應用延展性就明顯勝過高通了。

說到高通的DSP，筆者其實怨念頗重，不過這點還是留待下期解剖高通應用處理器時再來說明吧！