基于OMAP3處理器平臺(tái)的MID解決方案

移動(dòng)因特網(wǎng)設(shè)備(MID)是一種集成了無(wú)線通信與計(jì)算功能的新興產(chǎn)品，旨在提供比筆記本電腦更高的便攜性和比手機(jī)更大的的顯示屏。作為MID制造廠家的重要解決方案供應(yīng)商，德州儀器(TI)提供集成了ARM Cortex-A8處理器、影像、視頻及圖形加速功能的單芯片OMAP3平臺(tái)，可充分滿足以最低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能的要求。與Intel的雙芯片Atom解決方案相比，采用移動(dòng)工藝設(shè)計(jì)的OMAP3處理器使制造商能夠構(gòu)建尺寸更小、重量更輕、價(jià)格與功耗更低的高可擴(kuò)展性產(chǎn)品，從而全面滿足從智能電話到MID的各種產(chǎn)品的需求。

　　MID的特性和分類

　　MID的主要特性和功能包括：采用觸摸技術(shù)實(shí)現(xiàn)直觀易用的用戶界面；功能齊備的瀏覽器可實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的因特網(wǎng)體驗(yàn)；集成了Wi-Fi、WiMAX、3G手機(jī)以及藍(lán)牙等技術(shù)等寬帶與個(gè)人連接；可整頁(yè)顯示W(wǎng)eb頁(yè)面的高分辨率顯示屏；一次充電即可滿足全天工作需求。

　　許多制造商正不斷將上述功能與蜂窩語(yǔ)音、一鍵式(One-click)Web2.0交互、高清音視頻、攝像機(jī)與照相機(jī)、效能工具、GPS導(dǎo)航、交互式3D游戲等功能整合到一起。MID終端設(shè)備包括多媒體手機(jī)、便攜式媒體播放器、具有無(wú)線連接功能的上網(wǎng)本、移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、虛擬世界系統(tǒng)、便攜式導(dǎo)航工具、電子書以及其它新興應(yīng)用等。盡管大多數(shù)MID面向個(gè)人用戶和普通的企業(yè)用戶，但這些產(chǎn)品的高度靈活性也使其在零售、醫(yī)藥、教育、交通和政府等垂直市場(chǎng)具有很大吸引力。

　　MID分為三大類：第一類是顯示屏尺寸約為3～4英寸、重量約為0.25磅的袖珍型產(chǎn)品；第二類是顯示屏尺寸約為4～7英寸、重量約為0.5磅的平板型；第三類是上網(wǎng)本，顯示屏尺寸約為7～10英寸，重量約為1磅。袖珍型MID(小型MID)代表了智能電話的發(fā)展方向，上網(wǎng)本則是筆記本電腦的“瘦身”版。平板型MID是一種新興組合，其定義還不完善，因而還潛藏著很大的創(chuàng)新空間。預(yù)計(jì)諸如便攜式導(dǎo)航設(shè)備與便攜式媒體播放器等傳統(tǒng)消費(fèi)類電子產(chǎn)品，將增加移動(dòng)因特網(wǎng)支持功能，因而也歸入平板型產(chǎn)品的范疇。

　　OMAP3平臺(tái)可充分滿足MID的系統(tǒng)要求

　　MID系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員在選擇硅技術(shù)解決方案時(shí)，主要考慮問(wèn)題是如何以最低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能，同時(shí)盡可能縮小電路板與電池的尺寸，減輕重量，并最大限度地降低系統(tǒng)成本。此外，MID制造商還需要通過(guò)高度的軟硬件集成、出色的支持以及明確定義的未來(lái)產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)。TI通過(guò)為無(wú)線通信與移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)解決方案來(lái)積極滿足上述要求，并在該領(lǐng)域擁有超過(guò)15年的成功經(jīng)驗(yàn)。TI是設(shè)備制造行業(yè)公認(rèn)的領(lǐng)先企業(yè)，其產(chǎn)品在實(shí)際運(yùn)行時(shí)可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最佳的單位功耗性能，并在待機(jī)狀態(tài)下具有最小漏電。

　　基于最新一代TI技術(shù)的OMAP3器件是業(yè)界首款采用ARM Cortex-A8處理器的產(chǎn)品。此外，這些片上系統(tǒng)(SoC)解決方案還集成了TI TMS320C64x數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，以及專門用于影像、視頻以及圖形的加速技術(shù)，從而可實(shí)現(xiàn)出色的因特網(wǎng)通信與多媒體性能，其低功耗特性在無(wú)需為電池充電的情況下，即可確保持續(xù)一整天的工作。以最低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能的技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展到了軟件與工具領(lǐng)域，且未來(lái)推出的各代OMAP技術(shù)都將不斷增強(qiáng)上述功能。

　　OMAP3平臺(tái)與Intel Atom平臺(tái)的對(duì)比

　　Intel x86技術(shù)通常面向PC領(lǐng)域，其最初的設(shè)計(jì)并非旨在滿足高級(jí)無(wú)線設(shè)備的移動(dòng)技術(shù)要求。因此，Intel宣布推出的Atom戰(zhàn)略涉及幾代處理器與芯片組，以滿足整個(gè)MID市場(chǎng)對(duì)集成度及性能功耗比的要求。

　　Intel目前的MID解決方案包括兩種芯片：一是Atom CPU，二是被稱作System Controller Hub的獨(dú)立芯片組，可提供存儲(chǔ)器控制器、視頻解碼器、圖形引擎以及I/O等功能。如果采用外部存儲(chǔ)器與電源管理器件來(lái)支持這兩顆芯片，那么封裝總面積將達(dá)到666平方毫米。從Atom所需的全部板級(jí)空間來(lái)看，Atom更適用于2磅重的筆記本電腦，而不是0.5磅重的平板型MID或0.25磅重的小型MID。

圖2：具有MID系統(tǒng)連接的TIOMAP3x處理器

　　與之相反，TI的OMAP3平臺(tái)在單個(gè)器件上集成了所有處理器、加速器、存儲(chǔ)器控制器以及系統(tǒng)外設(shè)，封裝面積僅為144平方毫米，與Centrino Atom相比，OMAP3的芯片空間節(jié)省了75%以上。此外[1]，基于OMAP3平臺(tái)的器件支持“層疊封裝”(PoP)垂直堆棧的存儲(chǔ)器，從而無(wú)需使用附加的板級(jí)空間，而Atom的產(chǎn)品則做不到這一點(diǎn)。當(dāng)添加電源管理與垂直堆棧的存儲(chǔ)器以形成完整的電路板時(shí)，基于OMAP3平臺(tái)的設(shè)計(jì)與功能相當(dāng)?shù)腁tom系統(tǒng)相比，所需組件板級(jí)空間可節(jié)省80%以上[2]。使用OMAP3所節(jié)省的總體PCB面積甚至更達(dá)驚人的90%[3]。

　　工藝節(jié)點(diǎn)制造技術(shù)的重要意義

　　處理器設(shè)計(jì)對(duì)整體系統(tǒng)的成功至關(guān)重要。相對(duì)于以前的x86處理器，Intel Atom CPU確實(shí)實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)改進(jìn)。值得注意的是，Atom采用45納米的CMOS工藝制造可實(shí)現(xiàn)更小的裸片面積，且與前代產(chǎn)品相比，功耗更低。不過(guò)，單從工藝節(jié)點(diǎn)來(lái)評(píng)判產(chǎn)品可能并不準(zhǔn)確，因?yàn)锳tom功耗的降低并不是通過(guò)工藝進(jìn)步，而是通過(guò)犧牲性能才實(shí)現(xiàn)的。若計(jì)算每次循環(huán)的工作效率，Atom的性能遠(yuǎn)低于之前的處理器，在相同頻率下大約只提供前代處理器50%的性能。例如，一款1.6GHz的Atom處理器的性能約相當(dāng)于較早的800MHz PenTIum M處理器[4]。因此，即便同樣是英特爾器件，也不能教條地通過(guò)時(shí)鐘速度來(lái)判斷性能高低。

　　此外，由于Intel以前一直為PC而不是移動(dòng)設(shè)備開(kāi)發(fā)處理器，因此，相對(duì)于TI專為移動(dòng)領(lǐng)域優(yōu)化的65納米工藝技術(shù)，Intel的45納米工藝在性能功耗比方面并不占優(yōu)。就裸片大小而言，Atom盡管采用了45納米工藝，但面積仍然是OMAP3器件中Cortex-A8處理器的兩倍。

　　功耗優(yōu)勢(shì)

　　對(duì)MID的重要要求之一是單次充電即可整天平穩(wěn)工作而不會(huì)影響性能。相對(duì)于PC，移動(dòng)手持終端更應(yīng)該滿足這個(gè)要求。由于MID不需要臺(tái)式計(jì)算機(jī)那么高的性能，因此Atom CPU在確保提供較高電源效率的情況下，性能有所下降或許是可以接受的。根據(jù)Intel提供的數(shù)據(jù)，Atom CPU本身在頻率為800MHz時(shí)的最高熱設(shè)計(jì)功耗(TDP)為0.65W，在頻率為1.86GHz時(shí)為2.4W[5]。但是，由于MID系統(tǒng)特有的圖形與多媒體處理仍然是在采用130納米工藝制造的系統(tǒng)芯片組中進(jìn)行的，因此Atom雙芯片解決方案的功耗極高：800MHz時(shí)為2.95W，1.8GHz時(shí)高達(dá)4.7W。相比之下，集成OMAP3解決方案即便在頻率為800MHz時(shí)的最高功耗也僅為750mW，相當(dāng)于雙芯片Atom解決方案的1/4。由于TI解決方案的系統(tǒng)其它部分的功耗基本與此相同，因此其針對(duì)Web瀏覽與視頻播放的電池使用壽命可延長(zhǎng)2至3倍[6]。

　　不過(guò)，工作狀態(tài)僅是其中的一部分因素。Atom CPU本身在深度睡眠模式下就會(huì)消耗移動(dòng)設(shè)備的大量電源，約為80～100mW，相比之下，整個(gè)OMAP3平臺(tái)僅為0.1mW[7]。在多數(shù)使用情形下，Atom CPU睡眠模式下的功耗便達(dá)到了足以使OMAP3產(chǎn)品處于正常工作模式所需的功耗。總體說(shuō)來(lái)，OMAP3處理器待機(jī)情況下的電源效率是雙芯片Atom解決方案的50倍，這主要?dú)w功于架構(gòu)內(nèi)置的TI移動(dòng)工藝創(chuàng)新以及SmartReflex電源與性能技術(shù)。

　　如果綜合考慮工作模式和待機(jī)模式下電流的消耗情況，結(jié)果就顯而易見(jiàn)了。Intel指出，假設(shè)處理器80%的時(shí)間處于深度睡眠模式，1%的時(shí)間以最高速度運(yùn)行，則頻率為800MHz時(shí)平均功耗為160mW[8]。在相同條件下，OMAP3 Cortex-A的功耗僅為25mW，即約為Atom解決方案的15%[9]。就工作時(shí)間而言，基于OMAP3平臺(tái)的系統(tǒng)毋需充電就能持續(xù)工作一整天。在不使用系統(tǒng)的情況下，基于OMAP3平臺(tái)的系統(tǒng)一次充電即可持續(xù)待機(jī)一周乃至更長(zhǎng)時(shí)間，大大優(yōu)于其他同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案。

　　不同類型電池的表現(xiàn)情況證明了上述兩種解決方案的功耗水平差異。Atom面向MID的參照設(shè)計(jì)和規(guī)范均建立在3,000mAh電池的基礎(chǔ)之上，而基于ARM的MID設(shè)計(jì)一般使用1,400mAh的電池[10]。采用Atom設(shè)計(jì)的Nettop產(chǎn)品對(duì)電池的要求甚至更高，需為50Wh[11]。由于電池的尺寸和重量與電量成正比，因此采用OMAP3處理器的MID就顯得非常小巧輕便。

　　當(dāng)前就緒的MID解決方案

　　TI在不斷改進(jìn)OMAP平臺(tái)，Intel的發(fā)展戰(zhàn)略同樣也強(qiáng)調(diào)在后續(xù)幾代Atom解決方案中進(jìn)一步提高芯片組的集成度。目前，MID制造商可用的唯一x86技術(shù)就是雙芯片Atom解決方案，但這種解決方案占用面積大、價(jià)格昂貴，而且功耗非常高。與其它Intel處理器相比，這種解決方案的CPU在某些方面可能性能不錯(cuò)，但我們認(rèn)為，這種CPU和雙芯片解決方案均不能完全滿足MID市場(chǎng)對(duì)減少空間占用、降低功耗和成本的需求。

　　另一方面，開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)在智能電話領(lǐng)域采用了OMAP3處理器，而且將進(jìn)一步擴(kuò)展至MID領(lǐng)域。MID系統(tǒng)將從OMAP3平臺(tái)提供的眾多優(yōu)異特性中受益匪淺，如高集成度、高性能和高電源效率，以及包含Web瀏覽和多媒體等在內(nèi)的業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的移動(dòng)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。基于OMAP3平臺(tái)的產(chǎn)品是一種低功耗的單芯片解決方案，其電池可持續(xù)工作一整天，且支持高性能多媒體應(yīng)用。此外，TI的發(fā)展策略還明確規(guī)劃了將實(shí)現(xiàn)更高集成度和更先進(jìn)工藝的目標(biāo)，從而確保基于ARM的OMAP平臺(tái)將隨著這一令人振奮的新興市場(chǎng)一如既往地穩(wěn)居業(yè)界領(lǐng)先地位。