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❐ 數位積體電路(Digital IC)
用來處理數位訊號的積體電路稱為「數位積體電路(Digital IC)」，目前都是以「矽晶圓」製造，主要是用來處理0與1的加減乘除運算與儲存工作，其中處理器包括：中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)、微處理器(MPU)、微控制器(MCU)等；記憶體包括：靜態隨機存取記憶體(SRAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)等；以及其他處理數位訊號的包括：標準邏輯積體電路(Standard logic IC)、特定應用積體電路(ASIC)等，台灣主要的數位積體電路設計公司包括：聯發科技(MTK)、聯詠科技(Novatek)、瑞昱半導體(Realtek)、群聯電子(Phison)等公司。

 

這裡我們不討論記憶體，只討論用來處理0與1的加減乘除運算工作的積體電路，如＜圖一＞所示，可以分為處理器(Processor)、半客製化積體電路(Semi custom IC)、全客製化積體電路(Full custom IC)三大類：

➤處理器(Processor)：是指可以利用程式決定運算的內容與結果，這裡的程式是指一般軟體工程師所撰寫的軟體程式(例如：C語言、Java語言)，簡單的說，就是程式設計師寫什麼程式它就做什麼事，功能完全沒有固定，功能沒有固定代表沒有「客製化」，因此我習慣把它稱為「通用積體電路(General purpose IC)」或「無客製化積體電路(Non custom IC)」。

➤半客製化積體電路(Semi custom IC)：是指可以利用程式決定「部分」運算的內容與結果，這裡的程式又稱為「硬體描述語言(例如：Verilog、VHDL)」，一般都是由電子電機工程師選寫，因為功能部分沒有固定，但是部分是固定的(客製化)，因此稱為「半客製化(Semi custom)」。

➤全客製化積體電路(Full custom IC)：是指功能完全固定，針對「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」而設計出來的積體電路(IC)，又稱為「特定應用積體電路(ASIC：Application Specific Integrated Circuit)」。

 

圖一　處理器的種類。

 

❐ 中央處理器(CPU：Central Processing Unit)
中央處理器(CPU)屬於「複雜指令集處理器(CISC)」，基本上是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次運算。CPU的代表廠商包括：英特爾(Intel)、超微半導體(AMD)等，其中Intel公司自行設計、製造、封裝、測試處理器，屬於「整合元件製造商(IDM：Integrated Device Manufacturer)」，但是AMD公司只能自行設計處理器，屬於「設計公司(Design house)」esign house)」，製造、封裝、測試則委託專業代工廠處理。

 

CPU的特色包括：工作頻率高、運算功能強、電晶體(CMOS/FinFET)數目多、晶片面積大、成本高、耗電量大，目前大多應用在個人電腦、筆記型電腦、工作站、伺服器等較高階的產品上，這些產品另外還有一個共同的特色，由於CPU耗電量大產生廢熱，因此大部分必須使用風扇來散熱。

 

❐ 微處理器(MPU：Micro Processing Unit)
微處理器(MPU)屬於「精簡指令集處理器(RISC)」，基本上也是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次運算。MPU的代表廠商包括：安謀國際(ARM)或美普思(MIPS)公司等，這兩家公司本身不賣處理器，只授權處理器的設計圖給其他「設計公司(Design house)」使用。
➤ARM處理器：由ARM公司所設計，廣泛地應用在汽車電子、多媒體、影音娛樂等工業或消費性電子產品上做為「應用處理器(AP：Application Processor)」，著名的產品型號包括：ARM7、ARM9、AMR11、Cortex-A8/A9/A15等。
➤MIPS處理器：由MIPS公司所設計，大多應用在網路通訊等電子產品上，例如：ADSL數據機、纜線數據機(Cable modem)、交換器(Switch)、路由器(Router)、閘道器(Gateway)等，著名的產品型號包括：MIPS32、MIPS64等。知識力www.ansforce.com。

MPU的特色包括：工作頻率較低、運算功能較差、晶片面積小、電晶體(CMOS/FinFET)數目少、成本低、耗電量小，比較適合用來作為「嵌入式處理器(EP)」，這些產品共同的特色就是不能使用風扇，而且對成本的控管比較嚴格。由於半導體製程技術的進步，目前微處理器(MPU)的工作頻率也愈來愈高，和中央處理器(CPU)已經很接近，而智慧型手機、平板電腦的功能也愈來愈接進個人電腦，甚至已經威脅到個人電腦的市場了。

 

【名詞解釋】嵌入式系統與嵌入式處理器
➤嵌入式系統(Embedded system)：完全嵌入在系統內部，專為特定應用而設計的電子產品，根據英國電器工程師協會(UK Institution of Electrical Engineer)的定義，嵌入式系統是控制、監視或輔助設備、機器或用於工廠運作的裝置。
➤嵌入式處理器(EP：Embedded Processor)：上述嵌入式系統的電子產品所使用的處理器我們泛稱為「嵌入式處理器(EP)」。

簡單的說，個人電腦是屬於通用的電腦系統，每一台個人電腦都是安裝Windows或Linux作業系統，因此可以安裝不同的應用程式而進行不同的功能；嵌入式系統通常使用特別的作業系統，而且只能執行預先設定的工作，例如：銀行的自動櫃員機、航空電子、汽車電子、電信交換機、網路裝置、印表機、影印機、傳真機、計算機、家用電器、醫療裝置等。

 

❐ 數位訊號處理器(DSP：Digital Signal Processor)
數位訊號處理器(DSP)屬於「精簡指令集處理器(RISC)」，它的核心為「乘加器(MAC：Multiply Add Calculator)」，可以在一個時脈週期內進行一次「乘法與加法」運算。DSP的代表廠商包括：DSP的代表廠商包括：德州儀器(TI)、恩智浦半導體(NXP)、亞德諾(ADI)、飛思卡爾(Freescale)等。

DSP的特色包括：工作頻率高、運算功能強、晶片面積大、電晶體(CMOS/FinFET)數目多、成本高、耗電量大，一般來說DSP由於一個時脈週期內可以進行一次乘法與加法運算，因此工作頻率不需要像CPU那麼高，例如：Intel公司的CPU工作頻率可以高達4GHz，但是TI公司的DSP工作頻率只需要2GHz，雖然看起來DSP好像比CPU或MPU功能強大，但是使用到的電晶體數目很多，通常價格並不便宜。

 

DSP適合用來進行各種乘加運算(SOP：Sum of Products)，例如：有限脈衝響應濾波運算(FIR：Finite Impulse Response)、無限脈衝響應濾波運算(IIR：Infinite Impulse Response)、離散傅立葉轉換(DFT：Discrete Fourier Transform)、離散餘弦轉換(DCT：Discrete Cosine Transform)、點積運算(Dot product)、卷積運算(Convolution)，以及矩陣多項式的求值運算等，大家可能會好奇，這些運算都用在那些地方呢？基本上多媒體的影音壓縮技術(MP3、JPEG、MPEG等)、語音辨識(Voice recognition)、噪音去除(Noise reduction)、影像辨識(Pattern recognition)、通訊系統(3G WCDMA/4G OFDM/5G NR)等訊號處理演算法大部分都是乘加運算(SOP)，因此使用DSP比CPU或MPU更合適。

 

❐ 圖形處理器(GPU：Graphic Processing Unit)
圖形處理器(GPU)是專門用來處理個人電腦、伺服器、遊戲機甚至智慧型手機上的影像運算工作，主要就是把3D立體的物件表現在平面的顯示器上，可以分擔中央處理器(CPU)或微處理器(MPU)的影像處理工作。GPU的代表廠商包括：輝達(Nvidia)、超微半導體(AM併購ATI)等，由於嵌入式系統的發展，許多處理器廠商開始將GPU內建在處理器內變成「系統單晶片(SoC：System on a Chip)」，例如：安謀國際(ARM)將GPU內建在其MPU中，型號為Mali-300/400/450/T604/T642等。

 

圖形處理器(GPU)在二十年前曾經是所有電腦的顯示器必備的處理器，後來由於GPU的功能慢慢被整合到英特爾(Intel)的CPU內，使得GPU的需求量大幅下降，曾經讓銷售GPU的廠商經營困難。近年來人工智慧興起，科學家們發現人工智慧的人工神經網路演算法使用GPU運算的效能比CPU高出100倍以上，因此開始大量使用GPU進行人工神經網路運算，使得銷售GPU的廠商重新找到殺手級的應用而前景看好，由於人工神經網路演算法目前都是由雲端的「伺服器(Server)」來處理，因此GPU主要是銷售給製作伺服器的廠商。

 

【概念說明】處理器的核心(Core)

目前Intel公司的CPU常見的最多做到8核心，伺服器的CPU最多做到28核心(Neon 8180)，但是Nvidia公司的GPU已經做到5120核心(Volta Tesla V100)，看起來似乎Nvidia的技術大幅領先Intel，其實不是這樣看的，CPU的核心比GPU的核心複雜很多，簡單的說，我把CPU的核心稱為「大核心」，是設計用來做複雜運算功能的；GPU的核心稱為「小核心」，適合處理簡單、大量、重複的運算工作，就這麼巧，人工神經網路與加密貨幣採礦都符合這三個條件，所以大家拿GPU來運算囉！

 

❐ 微控制器(MCU：Micro Control Unit)
微控制器(MCU)屬於「精簡指令集處理器(RISC)」，一般用來稱呼最低階的處理器，基本上也是利用「加法」為主來進行所有的運算工作，可以在一個時脈週期內進行一次運算。MCU的代表廠商眾多包括：德州儀器(TI)、瑞薩(Renesas)、飛思卡爾(Freescale)、愛特梅爾(Atmel)、超捷國際(Microchip)、英飛淩(Infineon)、富士通(Fujitsu)、恩智浦(NXP)、意法半導體(STM)、三星(Samsung)等。知識力www.ansforce.com。

MCU的特色包括：工作頻率低、運算功能差、晶片面積小、電晶體(CMOS/FinFET)數目少、成本很低、耗電量很小，應用範圍很廣，例如：電子產品的按鍵控制、鍵盤滑鼠、電子錶、電動牙刷、搖控器、血糖計、血壓計、電錶、煙霧偵測器、馬達控制、車用電子等，幾乎所有的電子產品內都有微控制器。

 

❐ 現場可程式化邏輯陣列(FPGA：Field Programmable Gate Array)
事先由廠商將大部分的邏輯電路設計完成並且製作成積體電路(IC)，再賣給IC設計公司(Design house)或系統整合商(SI：System Integrator)，由工程師依照需要完成最後的電路連線工作，屬於「半客製化積體電路(Semi custom IC)」，所謂「半客製化」的意思就是這種積體電路已經製作完成了「一半」，至於它最後具有什麼功能則由IC設計公司或系統整合商(SI)的工程師來決定，此外與FPGA功能類似的還有可程式化邏輯元件(PLD：Programmable Logic Device)、複雜可程式化邏輯元件(CPLD：Complex Programmable Logic Device)，如＜圖一＞所示。

 

FPGA是由大量的AND閘、OR閘與電子式可抹除可程式化唯讀記憶體(EEPROM)排列組合而成，IC設計公司或系統整合商(SI)只要將這種製作好的半客製化積體電路買來，再由工程師依照需要完成最後的電路連線工作，就完成可以銷售或具有特定功能的積體電路(IC)了，因此可以少量製作。有點類似傳統印刷產業裡的「影印」，因為影印數量少的時候單價較低，如果影印的數量高達幾萬張，就要製版印刷才划算。FPGA的設計與製造的廠商多為國外大廠，例如：賽靈思(Xilinx)、英特爾(Intel收購Altera)、萊迪斯(Lattice)等公司。知識力www.ansforce.com。

 

❐ 特定應用積體電路(ASIC：Application Specific Integrated Circuit)

將數位訊號的編碼與解碼、壓縮與解壓縮、人工神經網路、加密貨幣採礦等演算法直接使用電晶體(CMOS/FinFET)製作成特定功能的積體電路(IC)，也就是IC設計工程師針對「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」而設計出來的積體電路(IC)，稱為「特定應用積體電路(ASIC：Application Specific Integrated Circuit)」，英文念做\`esik\。ASIC只能進行固定的數位訊號運算工作，使用者無法使用軟體更改功能，使用上有許多限制，但是由於直接使用電晶體(CMOS/FinFET)執行運算工作，不需要大量的軟體程式，因此執行效能最高，運算速度最快，消耗電能最低。

 

Google公司開發的人工智慧機器學習軟體框架(Software framework)稱為「TensorFlow」，這個軟體框架當然可以使用CPU或GPU來執行，不過為了再提高效能，Google公司自行設計了一款「張量處理器(TPU：Tensor Processing Unit)」，雖然他們稱為「處理器」，不過TPU其實更像是專門為人工智慧機器學習和TensorFlow軟體框架這種「特定應用」而開發的「積體電路」，因此比較像是ASIC。這樣講大家是不是對ASIC有更深的認識了呢？

 

由於ASIC是將數位訊號的編碼與解碼、壓縮與解壓縮、人工智慧等演算法直接使用電晶體(CMOS/FinFET)製作而成，使用者無法使用軟體更改功能，因此晶片製造商通常只針對數量大的應用才會推出這種產品，例如：比特幣礦工最早使用Intel或AMD的中央處理器(CPU)產品來挖礦，2013年礦工開始使用圖形處理器(GPU)、現場可程式化邏輯陣列(FPGA)，後來礦工愈來愈多市場需求量大增，開始有廠商推出比特幣採礦專用的特定應用積體電路(ASIC)。

 

市場上有些積體電路(IC)是「廣泛應用」而非「特定的應用需要」或「特定的客戶需要」，例如：中央處理器(CPU)是由Intel自行設計與銷售，數位訊號處理器(DSP)是由德州儀器(TI)自行設計與銷售，這類產品使用者只能接受而很難要求供應商針對使用者的需要修改，另外還有隨機存取記憶體(DRAM)與快閃記憶體(Flash ROM)等，這類積體電路(IC)都是廣泛應用的就不屬於ASIC。

 

【重要觀念】
➤上面的分類方式只是為了讓大家容易了解各種處理器的特色，但是別忘了，每一家廠商設計的處理器並不相同，而且每一種軟體都同時含有加法與乘法運算，只是多少的問題而已，因此要比較不同廠商設計的處理器效能高低並不容易，通常必須使用所謂的「跑分軟體」來測試才客觀公平，跑分軟體說穿了就是把所有可能的軟體與運算都跑過，最後再來比較那家廠商的處理器跑的快。

➤一般只有中央處理器(CPU)、數位訊號處理器(DSP)、微處理器(MPU)、圖形處理器(GPU)、微控制器(MCU)等可以使用軟體改變運算內容，使用彈性比較大的被歸類為「處理器(Processor)」，不過隨著技術演進，目前廠商都會把處理器(Processor)與現場可程式化邏輯陣列(FPGA)或特定應用積體電路(ASIC)整合成「系統單晶片(SoC)」，才能充份利用不同元件的優點一起運作。

 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀，與產業現狀可能會有差異，若您是這個領域的專家想要提供意見，請自行聯絡作者；若有產業與技術問題請參與社群討論。

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業，全華圖書公司」。＜我要買書＞