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科技台灣  2017-05-13 22:12  A20170513002 
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處理器依照不同的特性可以分為中央處理器(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,這裡我們將介紹這五種處理器的架構、指令、種類與特性,以及它們分別適合應用在那些產品上。

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❐ 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)」,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加法運算,而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。舉例來說:假設要花費10個加法運算才能完成1個乘法運算,當CPU的工作頻率為1GHz(1G=10億),則使用這種CPU每秒鐘可以完成10億次「加法運算」,但是每秒鐘只能完成1億次「乘法運算」。CPU的代表廠商包括:英特爾(Intel)、超微半導體(AMD)等。

 

CPU的特色包括:工作頻率高、運算功能強、CMOS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加法運算,而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。MPU的代表廠商包括:安謀國際(ARM)或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。

➤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、CMOS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,在可以預見的未來,MPU的市場仍然持續成長,但是CPU的市場則很難成長,甚至已經開始衰退了。

 

【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、手機、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。舉例來說:假設DSP的工作頻率為1GHz(1G=10億),代表每秒鐘可以同時完成10億次「乘法與加法運算」。DSP的代表廠商包括:德州儀器(TI)、亞德諾(ADI)、恩智浦半導體(NXP)、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、CMOS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的CPU工作頻率可以高達4GHz,但是TI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CMOS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,假設要花費5個加法運算才能完成1個乘法運算,則在進行乘加運算(SOP)的時候DSP的效能是CPU或MPU的5倍。

 

❐ 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)、英特爾(Intel)、超微半導體(AMD/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),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,後來由於圖形處理器的功能慢慢被整合到英特爾(Intel)的晶片組內,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(AI:Artificial Intelligence)興起,科學家們發現人工智慧的演算法使用GPU運算的效能比CPU高出大約100倍以上,因此開始大量使用GPU進行人工智慧運算,使得銷售GPU的廠商重新找到殺手級的應用而前景看好,由於人工智慧的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。

 

❐ 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加法運算,而乘法則必須使用「數個加法運算」才能達成。MCU的代表廠商眾多包括:德州儀器(TI)、瑞薩(Renesas)、飛思卡爾(Freescale)、Atmel公司、Microchop公司、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、CMOS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」,至於它具有什麼功能則由IC設計公司或系統整合商的工程師來決定。

 

FPGA是由大量的AND閘與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,因此成本較低可以少量製作。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:Altera(亞爾特)、Xilinx(賽靈思)、Lattice(萊迪斯)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、人工智慧等演算法直接使用電晶體(CMOS)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)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。

 

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)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(SDRAM、DDR)與快閃記憶體(Flash)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,每一種軟體都同時含有加法與乘法運算,只是多少的問題而已;同樣的道理,CPU或MPU雖然是利用「加法」為主來進行所有的數學運算工作,但是Intel或ARM也已經將支援乘法與除法運算相關的指令集放入處理器內,只是在效能上和數位訊號處理器(DSP)還有一段差距而已!

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,現場可程式化邏輯陣列(FPGA)與特定應用積體電路(ASIC)也整合部分處理器的功能進去,因此愈來愈像處理器了!知識力www.ansforce.com。

 

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【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

 

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