SoC革命，Intel Bay Trail與AMD Beema：PC小型化潮流，效能要強電力更要省

打從行動裝置出現後，SoC這名詞就大幅出現在人們眼前。然而SoC到底是什麼？說穿了也不是個新的概念或是想法，甚至早就出現在人們的生活中而不自知罷了。除了ARM架構的SoC之外，x86陣營的老大哥們AMD與Intel也在準備讓SoC進入零售領域，但SoC設計到底有什麼魅力與價值？看下去就知道。

SoC即為系統單晶片

SoC的全名為System On a Chip，中文稱為系統單晶片。在我們熟知的PC當中，除了CPU之外還會有北橋（North Bridge）晶片與南橋（South Bridge）晶片，後來北橋晶片負責的記憶體溝通功能被CPU取代。因而現在主流的x86主機板上，只看得到南橋看不到北橋。

但系統整合的步伐不會這樣就停止，Intel與AMD的最終目的會讓CPU整合主機板上多數晶片的功能。現在AMD的Kabini搭配的AM1主機板上，就只有CPU插槽而不見南北橋晶片。這類Kabini的CPU即為SoC也就是系統單晶片，光靠1顆CPU就能搞定所有的運算與I/O。

優點是精簡、微型化

單晶片有些什麼好處？顯而易見的就是微型化。傳統電腦為了配置CPU、南北橋等晶片，需要不小的PCB（Printed Circuit Board，印刷電路板）空間。SoC只需要單晶片的安裝空間，甚至有些SoC還不需要主動散熱器，更能節省PC內的運用空間。節省下來的空間，不僅能讓裝置更迷你，也能讓節省下來的空間安裝更多的元件，增加裝置的額外功能。

其實這類SoC產品早就在生活中隨處可見，像是部分購票機、點餐機等嵌入式系統（Embedded system）都是這類設計。或是所謂智慧電視、NAS等也都是SoC的設計架構，這類SoC亦稱為NPU（Network Processing Unit，網路處理器）、MPU（Micro Processing Unit，微處理器）。

以往這類低功耗、單晶片產品曾被玩家嫌到不行，不僅效能與行動版甚至桌上型落差極為明顯，功耗不見得有多麼出色，更重要的是價位不會特別便宜，除非有特殊用途否則鮮少有人會選擇效能較差的SoC產品。但時代在變，技術持續演進，當年的醜小鴨或許就是明天的天鵝，SoC設計有這麼不堪嗎？這倒不見得。

超低功耗x86正流行

雖然SoC架構的產品隨處可見，但遺憾地幾乎都是ARM的天下。x86在這場戰爭當中太晚進入市場，加上早期x86架構的產品功耗等規格不符預期，即便擁有較高的效能，仍不敵大量平價且低工耗的ARM產品。而x86的2大龍頭AMD與Intel前幾年早已計畫進入行動裝置等市場，但卡在廠商、技術等關鍵因素，至今仍未讓世人熟知。

台灣市場方面，至今Intel才透過華碩的Zenfone等產品大舉進軍行動市場。至於AMD雖早已曝光開發代號為Kabini與Temash的APU，但直到最近隨著AM1腳位的主機板才廣為人知。接下來我們先來了解AMD與Intel雙方近年的SoC與行動市場發展，再來看實際產品的效能表現。

關鍵字：APU

APU是Accelerated Processing Unit的縮寫，也就是加速處理器，是AMD使用的CPU品牌，有E與A系列。APU歷經多代的變革，共有Llano、Ontario、Zacate、Trinity、Richland、Kabini、Temash、Kaveri以及剛解禁的Beema與Mullins。

AMD歷史從Brazos說起

AMD旗下2大產品線，其一是CPU，其二則是GPU。CPU產品線中又可分為桌上型與行動版CPU，而從2011年之後，行動版CPU正式分割為Mainstream Notebook與ULP Notebook/Tablet（ULP：Ultra Low Power）產品線。前者是大眾常見的標準筆電，後者則是以Brazos平台為首的低功耗筆電與平板。

若要說AMD在SoC的發展，那得從剛剛提到的Brazos平台開始說起，Brazos平台是該產品線首個系列，發表時間為2011年，但並非採用SoC架構仍保有南橋晶片。Brazos平台轄下有40nm製程的Ontario（C系列）與Zacate（E系列），前者為TDP為9W的超低功耗APU，用於Netbook或小型PC上。後者則是我們熟知的E系列APU，TPD為18W，用於主流平台、AIO（All in One PC）或是低功耗筆電上。

Brazos平台採用的GPU是Radeon HD 6310、HD 6250，相信部分讀者在媒體上看過搭載E系列Zacate的主流筆電或小筆電，或許也想要弄台GPU效能較佳的輕薄筆電，不過台灣市面上的能見度相對於國外較低，也是AMD比較可惜的地方。

▲橘色的是主流筆電CPU的功耗，而紅色則是低電壓筆電與平板CPU的功耗。電力效率一直是Intel與AMD近年宣傳的重點，而這類SoC產品大多也不負眾望，在號電量方面遠低於目前主流平台。

些微更新的Brazos 2.0

相較於老大哥或小老弟，2012年AMD發表的Brazos 2.0氣勢就有點弱，沒有響亮的名稱加持，效能方面功耗降低、搭配新的HD 7000系列GPU、支援Steady Video與Quick Stream，最重要是並加入2個USB 3.0。Brazos 2.0平台當年與初代Brazos高低搭配，高階由Brazos 2.0負責，入門則是Brazos且依然有C與E系列，並有如Z-01這類最入門的產品。假想敵依然是Intel的入門系列，像是Pentium、Celeron、Atom還有Atom Z系列。不過Brazos 2.0畢竟是過渡產品，到了2013年就立刻交棒給Kabini與Temash。

4個第一的Kabini世代

落後了7年終於追上Intel，我想絕大多數AMD玩家都會有這樣的感慨。Kabini與Temash在AMD歷史上肯定是重要的里程碑，首先Kabini與Temash首度使用28nm製程、首次使用Jaguar架構、首度搭載GCN架構GPU、首款業界x86架構SoC。這麼多個里程碑，似乎讓人看到AMD當年的風光。不過領先的光環持續時間並不長，才約半個月Intel就拿出同樣是SoC設計架構的Core i5-4200U、Core i7-4500U等CPU，反將AMD一軍，但Kabini與Temash這麼不堪嗎？也並沒有這麼簡單。

從Kabini與Temash開始，APU產品線除了桌上型與行動版外，行動版更區分成主流筆電、輕薄筆電用的Kabini，以及Temash代表的行動裝置產品線。Kabini當年甚至是現在，定位大多是主流筆電與小型PC、AIO等產品，甚至是各類變型產品上，CPU與GPU效能具備一定的水準。

然而Temash效能略遜於Kabini，最初假想敵是Core i3到Pentium之間的空檔，畢竟Atom最初的效能並不算好，瞄準Intel的軟肋的確有其意義。加上Temash搭載的是HD 8000系列GPU，相較於同級Intel產品搭載的GPU，還是有相當的殺傷力。但產品賣不賣得動，靠的不僅是本身的好壞，更要靠行銷與通路配合。Kabini與Temash產品雖然讓人好奇，但台灣的市場能見度真的不高，自然也就說不上產品熱不熱這件事。

關鍵字：南北橋

北橋與南橋晶片皆為主機板晶片組，北橋大多負責CPU、記憶體、AGP、PCI-E與南橋之間訊號的傳遞。南橋則整合多數周邊介面，像是SATA、USB、網路、音效等。從FM1與LGA 1156時代之後，CPU已經整合北橋的功能，並把傳統南橋晶片改名，Intel稱為PCH（(Platform Controller Hub），AMD則是命名為FCH（Fusion Controller Hub），但功能沒有太大的改變。

內建Cortex-A5的Beema與Mullins

AMD在SoC領域當中，目前最新進度是4月29日剛解禁的Beema與Mullins系列，將分別取代Kabini與Temash的位子。這次新平台除了規格提升外，CPU從Jaguar架構改為Puma+架構，GPU同樣使用GCN架構的產品，確切型號仍未公佈，僅了解有Radeon R2、R3、R4、R6產品線。

比較特別的是，這次Beema與Mullins的晶片封裝中，除了CPU、GPU等核心架構外，外加了PSP（Platform Security Processor，平台安全處理器），它是個採用Cortex-A5架構的內建核心。等於是在x86為主的核心架構封裝中，內嵌了1顆ARM架構的CPU用於安全管理，也就是ARM所謂的TrustZone技術。

ARM與x86混合而生

AMD在Beema與Mullins的嘗試相當大膽，在傳統x86架構的晶片當中，同時封裝了用於安全管理的ARM架構的Cortex-A5。該設計主要是為了藉助於ARM在安全管理上的優勢，藉此對抗Intel的TPM（Trusted Platform Module）等安全技術。

▲SoC設計必然整合了大量的電子原件，Beema與Mullins內使用Puma+核心，且內嵌了PSP（Platform Security Processor，平台安全處理器）。從設計圖中，不難看出這幾乎就是原先CPU加上主機板的輸出組合，像是PCI-E、USB、SATA等全都具備。

Mullins核心架構

▲Mullins是實體四核心SoC，其中黃色部分即為用於安全管理的Cortex-A5。核心封裝當中，佔據面積最大的仍是GPU，接著才是FCH與CPU。根據AMD的說法，內部VCE單元與Display距離較近，能減少訊號傳遞的延遲，對於無線或有線影像輸出都有效果。

▲新款SoC上的GPU並無太大的更動，主要是藉由時脈提升達到效能精進的目的，預計會搭配Radeon R2、R3、R4、R6產品線。

雙模式的TrustZone

TrustZone技術歷史已久，簡單來說TrustZone有2個工作模式，其一為正常模式ARM稱其為Normal World，也就是Rich Execution Environment（REE）。另一個則是安全模式的Secure World，並稱為Trusted Execution Environment（TEE）。這2個模式都是整合於同個CPU當中，也就是剛剛說過的AMD內嵌的PSP晶片Cortex-A5。

聽起來REE與TEE環境，好像是讓CPU有2個執行緒同時運作，實則不然，其實只有單執行緒，並視情況在2個環境當中切換罷了。當有需要保密或重視安全的資料要處理（如手機SIM卡），則會在Secure World運作，透過2個模式的切換避免資料外洩或系統被破壞。因為存在Normal World的病毒，無法破壞或讀取Secure World的記憶體資料。

為什麼AMD要整合Cortex-A5在新的SoC當中？過去AMD平台相對缺乏硬體式的安全管理機制，透過整合就能快速地達到抗衡TPM、IPT（ Identity Protection Technology，身分辨識保護技術）等技術的目標。且採用40nm製程的Cortex-A5面積約1m㎡，對於APU的影響較小，甚至能比AMD自行開發還要省時省力，整合自然就是當下最佳解決方案。至於Windows 8可支援ARM的TrustZone，則可能也是影響AMD合作的關鍵因素之一。 

關鍵字：TrustZone

▲依照AMD的設計TrustZone技術會將需要保密的資料與一般資料做出區隔，需要保密的透過Cortex-A5（即PSP）處理，反之則透過AMD的APU運算。圖中橘色的即為需要防護的防毒軟體、電子錢包等資料處理流，而藍綠色的即為一般遊戲、上網等處理環境。但像是上網可能牽扯到資訊安全，則會在透過TrustZone之後，將資料傳給PSP晶片處理。TrustZone是介於作業系統與韌體之間的層級，而底端則是AMD與ARM各自的CPU。

▲PSP晶片面積很小，僅佔據SoC很小的空間，但其中仍具備獨立運作的各種資源與元件。

低功耗與主流雙平台

繼續回到現在的主角Beema與Mullins，Beema主打筆電、AIO等市場，Mullins則是迷你PC或行動裝置。兩者都有低功耗的特性，Beema預計有E1、E2、A4、A6產品線，包括E1-6010、E2-6110、A4-6210、A6-6310等型號。TDP大多在10～15W之間，且除E1外都是四核心架構。Mullins將用於行動平台，可預見效能會比較差，但TDP也會比Beema更低。共計有E1、A4、A10等產品線，如E1 Micro-6200T、A4 Micro-6400T、A10 Micro-6700T等型號，TDP只有4.5W甚至是3.95W。

根據AMD的數據，若將Beema與Kabini相比，電子閱讀、上網瀏覽、1080p影片播放等環境，大約有20%的功耗降低幅度，可望提升平台的續航力。至於效能方面，很遺憾地，AMD的絕大多數產品都僅止於規劃，即便有廠商推出，這類型產品也鮮少出現在台灣市場上。以APU的特性來說，CPU與GPU的平衡性相當不錯，相信對於重視性價比的台灣消費者來說會是有吸引力的產品，但可選購產品少於Intel陣營，一直是無解的問題。

▲從Mullins的功能方塊圖中，不難看出SoC已經整合大量輸出入I/O。至於內部，PSP也成為重要的組成之一。

▲前後代產品相比，Beema在功耗上仍有不小的進步。