向22nm邁進(jìn) 全新的Atom處理器揭秘

Atom誕生之初，即是面向上網(wǎng)本和小體積、低功耗的便攜式娛樂設(shè)備。但隨著ARM處理器的快速發(fā)展、智能手機(jī)和平板的全面普及，上網(wǎng)本等設(shè)備的市場空間被大幅度擠占甚至即將退出市場。在這種情況下，英特爾逐步將Atom處理器進(jìn)化到22nm的產(chǎn)品線上，并以全新的平臺和SOC芯片方式亮相。究竟英特爾有什么目的，新的Atom處理器的優(yōu)勢在哪里?本文將為你揭秘。

自從蘋果發(fā)布iPad的那一刻起，上網(wǎng)本這類小尺寸的上網(wǎng)設(shè)備就似乎注定了衰落。不過即使這種設(shè)備衰落了，但其蘊(yùn)含的技術(shù)卻不一定會消失。Atom，這個當(dāng)初專為低功耗、小體積設(shè)備設(shè)計的超低功耗處理器，在英特爾的手中卻并沒有像上網(wǎng)本那樣慢慢失去關(guān)注，它反而煥發(fā)了新的光彩?，F(xiàn)在，英特爾將Atom進(jìn)一步升級到22nm，并給予更多全新的特性，讓其在超低功耗市場上賺取更多的利潤。

Bay Trail，Valleyview，Silvermont

說起這三個單詞，想必多數(shù)人都有些摸不到頭腦。實際上，這是英特爾新一代22nm Atom平臺的相關(guān)研發(fā)代號。首先來看Bay Trail(對應(yīng)本代產(chǎn)品為Cedar Trail)，這是整個22nm超低功耗平臺的代號。和本代產(chǎn)品相比，22nm平臺已經(jīng)徹底SOC化，也就是說南北橋等輔助芯片將不復(fù)存在，英特爾用一顆芯片解決問題，這顆芯片(平臺)的研發(fā)代號就是Bay Trail;其次是Valleyview(對應(yīng)本代產(chǎn)品是Cedarview)，SOC芯片中的處理器代號就是Valleyview;接下來是Silvermont(對應(yīng)本代產(chǎn)品是Saltwell)，是CPU內(nèi)核架構(gòu)代號。Atom的內(nèi)核架構(gòu)從誕生的那一天起到現(xiàn)在基本上沒有太大變化，所謂的架構(gòu)升級多是在緩存、處理器制程方面進(jìn)行調(diào)整，內(nèi)部架構(gòu)調(diào)整則是少之又少。(圖1)

圖1

搞清楚了新一代Atom處理器的代號后，再來看英特爾全新的Atom處理器的發(fā)展路線圖，我們或許就能從中看出一些門道了。

從圖2中來看，下一代的Atom處理器以及相關(guān)產(chǎn)品主要分為兩個產(chǎn)品線。其中一個是主流產(chǎn)品線，另一個是使用電池供電的產(chǎn)品線。簡而言之，前者使用交流電，對性能更加敏感，后者則對功耗等更為敏感。在之前的產(chǎn)品線中，英特爾分為了多個系列，比如Cedar Trail面向桌面平臺、Queensbay則是面向一些基于PCI-E的I/O設(shè)備等。不過英特爾可能認(rèn)為這樣的分類過于復(fù)雜，因此在新的Atom中，Bay Trail成為了全能多面手，幾乎可以在任何場合完成任務(wù)，唯一的區(qū)別就是針對不同的客戶封裝有所不同。此外，英特爾還會單獨設(shè)計面向通信市場的Atom處理器，不過這并非本文的關(guān)注重點。新的Atom系列約在2013年第四季度上市，并替換之前所有的產(chǎn)品。

圖2

一體化，更輕巧——新Atom的技術(shù)特色

英特爾有能力將之前區(qū)分市場的Atom產(chǎn)品統(tǒng)統(tǒng)歸為一類，是相當(dāng)有底氣的，畢竟用戶和市場會對產(chǎn)品提出不同的需求，比如功耗和體積等。英特爾的底氣在于全新的SOC芯片設(shè)計以及22nm的制造工藝，再加上可以提供不同的接口，這樣就能基本上滿足所有用戶的需求了。

更小體積的22nm工藝

22nm的威力用戶或許已經(jīng)在第三代Core處理器上看到了，初代22nm工藝就能進(jìn)一步降低CPU功耗并大幅度縮減CPU體積。用到Atom上，英特爾就可以使用新工藝將傳統(tǒng)的南北橋、集成顯示核心以及CPU全部壓縮在一起，并很好的控制CPU的體積和發(fā)熱量。此外，在新的Atom開始生產(chǎn)后，22nm工藝的表現(xiàn)應(yīng)該會比現(xiàn)在還要更為出色。目前英特爾尚未有官方數(shù)據(jù)公布新的Atom的功耗指標(biāo)情況，但從其給出的使用范圍來看，新的Atom處理器SOC芯片功耗可能會低至3～5W，甚至更低。這樣才可以在諸如車載娛樂、數(shù)字標(biāo)牌和超小型媒體設(shè)備等對功耗要求比較嚴(yán)格的地方使用。

最多四個CPU核心

除了22nm工藝外，新的Atom的特色就在于SOC化。英特爾給出了SOC芯片的內(nèi)部設(shè)計，一顆四核心Atom處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，并向用戶展示了一顆SOC芯片中所包含的復(fù)雜組件。(圖3)

圖3

英特爾沒有提及新一代產(chǎn)品中CPU部分是否有改動，不過幾代以來Atom的CPU精簡x86的設(shè)計思路，簡化了前端分支預(yù)測和部分后端單元，預(yù)計在Valleyview上也不會有太大變化，依舊是順序執(zhí)行、雙發(fā)射的設(shè)計。其整體性能肯定無法和桌面主流產(chǎn)品相比，但好處在于超低功耗。新一代的Valleyview最多擁有四個22nm制程的Atom處理器核心，每個核心帶512KB二級緩存(圖片中雙核心帶1MB緩存僅僅是為了示意)。英特爾沒有提及CPU核心之間的通訊情況，不過At om處理器核心性能本來就不強(qiáng)，對帶寬要求并不高，采用傳統(tǒng)的前端總線架構(gòu)是完全可行的。頻率方面，新一代的Atom處理器頻率從1.2GHz到2.4GHz，核心數(shù)量配置可以是單核心、雙核心及四核心。另外，新的Atom處理器核心已經(jīng)開始支持64位技術(shù)了。除了為64位應(yīng)用作好準(zhǔn)備外，主要考慮的可能還是內(nèi)存支持問題，畢竟32位處理器只能使用4GB內(nèi)存，這在很多場合已經(jīng)捉襟見肘、難以為繼了。

在內(nèi)存支持方面，新的Atom處理器支持雙通道DDR3L(DDR3L 1066/1333)和DDR2L(DDR2L 800)內(nèi)存，也開始提供對ECC內(nèi)存數(shù)據(jù)校驗的支持(只支持單通道ECC內(nèi)存校驗)。內(nèi)存容量上最大只能支持8GB，一般來說8GB內(nèi)存容量已經(jīng)可以滿足目前的應(yīng)用了。

圖形性能有大幅度改善

在用戶比較關(guān)心的圖形性能方面，新的Atom中整合了4個英特爾第七代圖形引擎，每個引擎擁有2條渲染單元。所謂英特爾第七代圖形引擎，實際上和Ivy Bridge英特爾高清顯卡屬于同代產(chǎn)品。不過新的Atom中最多只有8個統(tǒng)一渲染單元(英特爾沒有說明是整個新Atom中一共集成了2個渲染單元，還是每個引擎中存在2個渲染單元，本文暫時認(rèn)為每個引擎中有2條渲染單元)，而Ivy Bridge中配置了16個(頻率不一樣)。根據(jù)英特爾說法，新的Atom的圖形性能相比之前Atom E600系列提升至4～7倍，基本可以在低特效下運行目前一些主流的3D游戲。此外，英特爾沒有說明新Atom中集成的圖形核心是否能支持DirectX 11和OpenGL 3.0，也沒有說明是否有硬件曲面細(xì)分單元等。但其存在的必要似乎不大，畢竟嵌入式應(yīng)用中幾乎不會用到這些高級特效。[!--empirenews.page--]

在高清支持方面，新的圖形核心支持H.264、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、VC-1/WMV9的解碼和H.264、MPEG2的編碼，此外一個額外的Imagination PowerVR VXD392解碼引擎可以支持H.264、JPEG及VP8解碼。整個核心可以同時解碼四個480p，或者三個60FPS的720p影像，或者兩個30FPS的1080p影像。在標(biāo)清解碼的情況下，CPU占用率不超過3%，高清則不超過5%。輸出接口方面，新處理器支持VGA、HDMI 1.4a、DP、eDP、MIPI DSI等諸多接口，基本可以滿足絕大部分場合的使用。

首次內(nèi)置南橋

雖然之前的Atom CPU已經(jīng)將北橋內(nèi)置在其中，但南橋功能依舊由一顆外置芯片完成，甚至可以通過更換南橋芯片來獲得不同的外設(shè)支持規(guī)格。不過這一次英特爾將南橋徹底集成在CPU中，如果需要特殊接口支持的話，英特爾則提供了PCI-E的轉(zhuǎn)接渠道。

目前英特爾給出的新Atom集成南橋，并支持PCI-E x4、兩個SATA 2.0、四個USB 2.0以及一個USB 3.0、千兆網(wǎng)卡等多個常用接口。此外，英特爾還在芯片中內(nèi)置了HD高清音頻功能模塊、SD模塊以及其他一些不太常見的工業(yè)接口、嵌入式I/O等特殊模塊，功能支持相當(dāng)齊全。(圖4)

圖4

當(dāng)然，一顆南橋芯片肯定是無法滿足所有需求的，英特爾還特別設(shè)計了PCI-E設(shè)備轉(zhuǎn)接接口以及一些專業(yè)接口，以滿足特殊用戶需求。英特爾利用PCI-E x4的接口，除了可以提供額外的PCI、USB接口外，還能夠為FPGA設(shè)備、IOH設(shè)備等提不同的行業(yè)的特殊需求。

面向不同用戶的封裝接口

為了在只有一顆芯片方案的基礎(chǔ)上支持所有不同類型用戶的需求，英特爾設(shè)計了兩種不同的封裝接口。其中Type-3接口稍大，尺寸為27mm×25mm，面向?qū)w積要求不那么敏感的設(shè)備，如上網(wǎng)本、入門臺式機(jī)等。這種封裝支持完整的雙通道內(nèi)存DDR3L和ECC內(nèi)存，支持VGA接口，擁有2個SATA接口和PCI-E x4接口;另一款Type-4體積較小，主要面向平板電腦和一些超迷你的設(shè)備，封裝尺寸為17mm×17mm，只能支持單通道DDR2L內(nèi)存，不支持ECC，SATA接口被削減到了1個，而PCI-E通道也被削減到只有3個。此外，它也不支持千兆網(wǎng)絡(luò)。(圖5)

圖5

除了封裝不同外，Type-3封裝接口的Atom處理器還根據(jù)不同用戶劃分了三種不同的版本。首先是面向車載娛樂、嵌入式領(lǐng)域的Valleyview-I，支持單核心到四核心，不同核心數(shù)量的CPU核心頻率從1.2～2.0GHz不等。其次是面向上網(wǎng)本的產(chǎn)品Valleyview-M，也是最多的四核心，核心頻率最低為1.7GHz。最后則是面向入門級臺式機(jī)等產(chǎn)品的Valleyview-D，頻率1.7GHz起跳，擁有雙核心和四核心版本，并且支持動態(tài)加速技術(shù)。還有另一種是采用Type-4封裝的Valleyview-T，四核心最低頻率為1.6GHz，支持動態(tài)超頻且大于1.9GHz。(圖6)

圖6

是獨角戲，還是阻擋ARM侵襲?

發(fā)展到今天，Atom或許已經(jīng)成為了市場上的獨角戲。為何有此一說?有兩個原因。首先，AMD的E系列APU發(fā)展到今天，基本上沒有對Atom本身造成重大的威脅。Atom甚至連CPU架構(gòu)都不需要更新就能在市場上縱橫幾年，說明英特爾對其設(shè)計定位還是相當(dāng)準(zhǔn)確的;另外，與Atom能夠形成競爭的只有ARM，一個人在x86的舞臺上和發(fā)展壯大的ARM相抗衡，這是一出以一已之力抗衡整個ARM聯(lián)盟的獨角戲。

在英特爾公布的Atom平臺優(yōu)勢中，重點突出了高I/O集成度、廣泛的I/O選擇以及高可靠性、全新的工藝以及多種型號等優(yōu)勢。其面向的市場也是平板和上網(wǎng)本、數(shù)字展示牌、車載娛樂和其他的嵌入式、新興市場等。仔細(xì)分析來看，Atom的優(yōu)勢和市場，與目前蓬勃發(fā)展的ARM處理器市場有頗多重合。比如數(shù)字展示牌、平板、車載娛樂以及工業(yè)嵌入式等市場。英特爾目前唯一比較牢固的應(yīng)該是工業(yè)市場，Atom低廉的價格、足夠的性能和各種I/O成熟的支持以及軟件系統(tǒng)積累的優(yōu)勢是其和ARM競爭的最大資本。但發(fā)展如此快速的ARM已經(jīng)變得相當(dāng)成熟，此外還有眾多對其支持的廠商?？梢韵胂螅诓贿h(yuǎn)的將來，ARM與Atom必有一場慘烈的廝殺。面對即將到來的威脅，英特爾怎會坐視不管，任其發(fā)展呢? (圖7)

圖7

無獨有偶，在英特爾公布的產(chǎn)品支持操作系統(tǒng)中，Windows、Linux、VxWorks等赫然在目，只是沒有Android的位置。從產(chǎn)品本身來說，既然CPU架構(gòu)都沒有改變，新的Atom支持Android應(yīng)該是很容易的事情。但實際上英特爾并未作出任何承諾，Android也沒有出現(xiàn)在列表中。英特爾可能并不希望Android利用Atom的優(yōu)勢出現(xiàn)在工業(yè)系統(tǒng)中，畢竟軟件和硬件都是相輔相成的。Atom未來的發(fā)展，看起來是一場無敵手、順風(fēng)順?biāo)暮脩?，但實際上英特爾面臨的暗戰(zhàn)一點也不少，ARM的競爭壓力也時時刻刻存在著。2013年第4季度，新Atom才正式上線，未來的一切發(fā)展，我們只有拭目以待了。(圖8)