智慧手機 平板電腦 藏鏡人─ ARM帝國

擋不住的多核心世紀：

當今最紅的處理器元件，可能不是微處理器巨人，而是ARM。平板、智慧型手機還有很多消費性產品，均臣拜於ARM之下。ARM的極短篇描述，或許可以是說針對嵌入式產品與低耗電應用之32位元RISC CPU架構吧!

Cortex-A系列的簡單比較。 

A4處理器晶片。取自eetimes。

 

蘋果所開發的PoP封裝的A4處理器(iPad初代、iPhone 4、iPod touch第4代採用)，打開內部究竟，還是存在有ARM Cortex A8的內核。iPad 2的A5處理器，為了要與檯面上所有廠商角逐對戰，唯有邁向Cortex A9的兩核心。

雙核心的A5處理器。取自eetimes。

無論是哪家處理器的製造商，都躲不過一場風暴，那就是處理器的躍進顯學就是多核心(應該說很多核心會比較政治正確)化，這是一場抵擋不住的潮流。從消費性產品到極高效能運算，都完全走向一致的途徑。

就拿富士通最新的超級電腦來說，所採用的新型處理器乃是16核心。

預定2012/1開始出貨的超級電腦PRIMEHPC。取自富士通。

數位亂世的契機：

在談及飛利浦120週年啟示錄一文之中，談到了當前的窘境 – 『數位亂世』。當然，順流與逆流的拿捏，的確不是一件那麼容易的事情。Robert Frost曾經說過：森林中有兩條路，我選擇人煙稀少的那一條，自此人生大不相同。顯然，飛利浦做出了抉擇。而我們呢？一場選舉可以毀了生技產業，令人遺憾，希望總是在民間。

其實，除了飛利浦的借鏡之外，與我國土相當的瑞士，為何歐債燒不到它，論ICT科技也幾乎看不出有何傑出產業，可是這個使用四種語言的小國卻活的好好地。我們可以想像或定位的空間，還有許多，文創剛起步，沒有人敢說文創不能是科技+藝術+人文+文化的結合呢？

拍立得老闆曾經對賈柏斯說過一句話：「我一直很希望拍立得能夠站上藝術與科技的交會點」。這個夢想最後被賈柏斯來實現。

數位亂世的戰國策。筆者製圖。

過去的視窗作業系統是x86處理器的Windows OS，而微軟視為視窗再造的下一代武器Windows 8，不單是對應x86也投入了ARM系列的SoC。

注：曾經1996年的Windows NT有X86版, Alpha處理器版, PowerPC版, MIPS版。

應用的雲端化、社群化，對於特定架構的制約逐漸降低，以x86軟體資產為強項的微軟自然是危機，也是轉機。以ARM系SoC為主的Qualcomm, NVIDIA在智慧型手機‧平板電腦的興隆昌勝下吃香喝辣；如何把這些紅夯的公司納入視窗的魔掌內自然是微軟的如意算計WoA(Windows on ARM)。

對英特爾來說，雖然找來谷歌開發Android專用的Atom處理器，市場會賜與機會嗎？而ARM野心勃勃，雲端風行需要低電力的資料中心(data center)還有伺服器用途，盡在ARM的攻擊企劃中。

智慧手機‧平板電腦的日月進步，ARM系SoC的低耗電、便宜等特徵；很有機會闖入英特爾的城堡，改變資訊生態。若是Windows 8真的很夠力反攻謀成，有朝一日，筆電的「Intel Inside」會不會成為歷史雲煙呢？

據稱，Atom處理器索價20美元以上，而ARM系SoC一般低於10美元；這一兩年來自中國無晶圓SoC公司開始進軍Android，遠看視窗個人電腦，若是形成價格破壞，自有新局。

有誰敢拍胸脯保證，「Wintel」最終不會邁入「Win + ARM」的葫蘆中呢？

Windows 8的逆襲：

微軟的下一個視窗Windows 8打著「從晶片組到使用者體驗、視窗再創造」的方針，對Android,、iOS展開逆襲，提出WoA的方針。從技術面來說，就是將視窗OS角色對於硬體做抽象化。它會有足夠的破壞力嗎？

Windows 8導入了新的UI(user interface) ─ 「Metro Style」。微軟在Windows 8上的著力象徵就是記憶體的消耗量降低。宣稱即使在數年前風行的1GB小筆電(netbook)上，Windows 8也可以跑的很順暢。

筆電的市場實在是很龐大，以ARM系SoC廠商內心中該是相當期待WoA。以Tegra進入Android平板的NVIDIA公司來猜測，若是有WoA上場就可以大舉揮軍進攻筆電市場。

微軟的市價被Apple奪去，雲端服務又劣於谷歌(Google)，強勢的印象有衰退的疑慮，好在由於「Kinect」的大成功(也可以說是Sony太不爭氣，這麼卓越的PS3竟然玩到這種悽慘地步)，微軟的勢力與現金實力不容忽視。而微軟WoA的標的不單是筆電、平板電腦而已，而是見到電力吃緊的新興雲端新應用，也就是槍口也瞄準了ARM系資料中心以及伺服器。換句話說，不單是Windows 8還有Windows Server的ARM版在旁邊伺候著。這點當然需要 ARM從32位元進化邁入了64位元的疆界。一般預估，64位元的ARM該是在2013年左右會現身。

WoA能否成功，懸在「Metro Style」是否能夠成功。到Windows 7為止，由於針對x86處理器的二進位程式，無法在ARM系的SoC上執行。而在Web瀏覽器上動作的Metro Style應用程式，就與CPU架構沒有依存關係，無論是在電腦還是平板裝置的兩方市場，應用程式可以相互流通。不過，Windows 8與過去軟體資產以及相容性的維持，與Windows 7根本是兩回事。Metro Style全新應用程式是否會有從零開始的宿命，如果應用程式不夠充實，WoA充其量也不過是空殼罷了。微軟當然也知道這個問題的嚴重性，因此在BUILD中祭出最大的犒賞，所有參加者分發搭載Windows 8 developer preview的平板裝置。Metro Style不僅支援了Windows 7開發核心的Visual basic、C語言，也支援了HTML 5，Java script。微軟當然期望這個新規的執行環境，在應用軟體開發的生態系統，依然會踏襲著龐大PC市場的慣性。

新的 Metro Style 桌面(圖片取自Microsoft News Center)。

同時也不難想像，微軟最怕的可能是不希望Metro Style走入專用平板的死胡同中，讓人誤解為與筆電、桌上型電腦沒有關係。萬一發生了這種事態，Metro Style的應用開發視野就會陷入不夠寬廣的窘態。固然，微軟的回答Windows 8對應於iPad與Android的平板。可是來看事實的規模，平板根本無法與筆電、智慧型手機相比。就拿筆電來說，2010年的出貨台數約2億台以上，而平板呢？就算大熱門的iPad也可能僅有數千萬台。憑著如此的規模，要建立新規市場的生態系統，太難了吧!

平板端末的應用軟體市場，與智慧型手機、筆電等巨大的領域的生態系統，應用面若是沒有連結起來的話，要一枝獨秀也很難吧!蘋果該是早就看到這個遠景，因此， iPad、iPhone等都是搭載了相同的作業系統「iOS」；也就是利用了iPhone龐大應用開發生態系統，連結到iPad身上。而iCloud進一步透過雲端並以無線方式將它們推送到你所擁有的裝置中，自動作業、不費吹灰之力而且緊密整合。更具體地說，有了iCloud之後，iTunes的資料庫就跑到雲端去了；觀念就是這麼簡單。

WoA成功之鑰，在於Metro Style UI豐富的資源。為了達成這個目標，微軟在Windows 8上下了一番工夫，強制使用者進入Metro Style。具體地說，就是廢止了視窗的開始選單；若是使用者在桌面點選了開始鍵，會跑到Metro Style的磚瓦式UI畫面；也就是強制視窗使用者進入了Metro Style應用的入口，催促使用Metro Style的應用。因此，微軟這個意圖勢必要在各種產品線上展開。在Windows 8之前先從Windows Phone導入，然後再針對Xbox 360的線上服務「Xbox Live」也會導入。

Windows Phone 7.5 芒果機的UI也是磚瓦式。

不過，根據微軟BUILD舉辦會議，公開展示的還是x86版，至於像TI/Qualcomm/NVIDIA所展示的ARM平板，沒有人可以觸碰的到。很明顯地，ARM版的程式開發是有點延遲了。微軟Windows 8針對ARM所開發的新式電力管理機能「Connected Standby」，並不能在x86上執行；因此，它在ARM系SoC上的功力，即使吹捧的很好，也未能實際領受到。(無妨將「Connected Standby」視為手機的省電架構導入PC核心之中)。

Windows 8廢棄了BIOS以UEFI替代。還有新式電力管理結構。

底下嘗試從”技術的層面”來探索Windows 8。老鳥多知道視窗乃是以「Win32 API」的編程模型為基盤，而Windows 8是朝向Metro Style的應用，因此，有必要導入新的API以及執行環境，也就是下圖中的「WinRT(Windows Runtime)」。

Windows 8的軟體架構。

Windows 8採用傳統的桌面以及Metro Style UI兩者共存的構成方式。換句話說，傳統桌面應用程式的動作會透過Win32，Metro Style應用執行時改成WinRT；無論是IE還是控制面板，會有相對應的版本。而，Metro Style應用程式開發的基礎即是HTML5與JaavaScript。無論是IE的呈現以及執行引擎上動作，無論是ARM版還是x32/x64的版本，同一應用可以在全部的平台上動作。執行模型有點類似Ajax的Web應用。若是覺得難以體會，無妨這麼來說吧。Windows 8的Metro Style環境或許該是接近於谷歌的「Chrome OS」或是HP的「webOS」。

注：AJAX為「Asynchronous JavaScript XML」，非同步的JavaScript與XML技術，是一種廣泛應用在瀏覽器的網頁開發技術。

應用程式的開發除了HTML5與JavaScript之外，也可以對應既存的編程語言，如C/C++、Visual Basic、C#等。也可以利用微軟RIA(rich internet application)環境的Silverlight所採用的標記語言「XAML」。簡單的應用程式可以利用HTML5與JavaScript來實現，更複雜構造的應用程式就可以利用C#等與XAML來分擔。

不僅Windows 8採用了Metro Style UI，微軟的Mobile Phone 7.5也採用。而Windows Phone的應用程式與Windows 8的Metro Style應用並沒有直接的互換性，然而，移植上比較容易。Windows Phone是以Silverlight為編程模型的基盤，因此，Silverlight採用的XAML該與Windows 8的Metro Style共通吧!具體層面而言，就是Windows Phone的Silverlight API置換為WinRT API。

當代雲端掛帥，現在智慧型手機或是平板的應用從雲端來讀取資料與內容為主流，各個裝置有其顯示的型態。職是之故，WinRT對於本地儲存與雲端上的儲存不分區別也可以存取。然而，網路上的存取必然會有所謂「延遲」的發生。若是依然採用傳統的同步處理，很有可能應用程式會凍結掉。因此，網路的處理以非同步方法較為適當。在嵌入式領域有特定的非同步事件；接近於狀態遷移(state machine)的執行模型。當然，WinRT意識到雲端的處理特質，因而也全面導入非同步的處理。具體地來說，就是修飾符「async」與運算符「await」的導入是也。同時，微軟也做了一件事情，將編譯器(compiler)內部的API公開。

Metro Style應用也廢棄了多視窗的顯示方式，改與手機一樣，一個應用程式會佔據整個畫面，可以活用滾動軸。同時也導入了刷碰畫面的操作方式。當然，Metro Style應用也會與微軟的雲端服務「Windows Live」相互提攜。應用的設定在Windows Live上會自動保存，其他搭載Windows 8的裝置會進行同步化。而為了應用之間資料的相互連結性，又特別加入了新的「contract」結構，讓OS端與可以自動橋渡。

蘋果的網路模式，每一家都羨慕。微軟也有意導入「Windows Store」的配信手段。

Windows 8最為傲人之處，是與手機並駕齊驅的電力管理，從待機(standby)回返僅須0.3秒，開機時間也僅有6秒。其中的焦點該是新導入的電力管理狀態「Connected Standby」；CPU在動作而銀幕顯示關閉的狀態。可以這麼來說，當使用者從應用或上層服務來停止之際，CPU會採用間歇性的動作方式，保持資料的最新狀態。關於這個概念的最為理想的思維方式，或許是視為雖然是在待機可是依然常時接續。

待機中依然可定期存取網路，保持資料最新狀態。

Windows 8的應用的執行模型，與Connected Standby協力來設計。為此，Metro Style應用定義了『Suspended』的狀態。當PC進入中止模式時，Metro Style應用全步轉移到『Suspended』狀態。

 Metro Style應用的狀態遷移。

視窗XP task manager。

 Windows 7 task manager。

 Windows 8 task manager。若有Suspended狀態，可從Task Manager看出。

Windows 8由於Connected Standby的導入，宛如手機回復時間相當快速，僅約0.3秒。電池消耗時間16小時以上。然而冷開機，還是有驅動程式初始化的工夫。不過，Windows 8的啟動時間約6秒，其中最大的貢獻該說來自於核心部份適用於休眠。總之，可以說是組合了冷開機與休眠的混和型起動方法。況且，Windows 8也廢棄了傳統使用的BIOS，導入了新式的UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)，也有助於起動時間的短縮。

注：UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)乃是早期惠普、英特爾等共同協定出來的一套規範，用意是想取代使用數十年的老舊BIOS架構。微軟有意在Windows 8 中來實現UEFI。

Windows 8導入了混合型的啟動順序。

而Windows 8還有一個革新式的功能，那就是平板或是手機正夯的短距離通信NFC(near field communication)標準之對應。除了加速度感應器、角速度感應器、地磁氣感應器與USB 3.0的支援，在OS層對應NFC是相當進步的一個措施。當彼此端末挨靠近就可以傳送閱讀中的URL，藍芽可以配對來傳送影音資料。不過，目前僅知道微軟與NXP協力開發，Windows 8可以支援PN544晶片。

2011年9月微軟的「BUILD」開發者大會，除了揭露WoA的動向，從搭載Windows 8的端末，多少也可以嗅出硬體的基礎規範。當然這個數據只能做參考用，時代變化過於迅速無常。

總之，微軟在過去x86應用上所累積的龐大軟體資產，怎麼來沿用或移植，也是重要的一個議題。

ARM在雲端現商機：

雲端運算應用的進展，也會連動硬體架構的變動。只要看FB成長的幅度以及使用者上載的內容量，就知道資料中心伺服器勢必要有對策，否則就像打戰無軍糧，終究會潰敗。

WoA的登場不單是闖入PC的橋頭堡，網路上的伺服器市場也是ARM架構的野心所在。ARM所投資的Calexeda、NVIDIA、Marvell專心致力於伺服器專用的ARM系SoC。其實，在伺服器領域，ARM架構所覬覦的該是雲端的資料中心(data center)。畢竟，像FB、Google這類網路公司對於電力消耗如何來削減是一個吃緊的課題；通常，為了提高性能，會導入龐大的空調設備來與熱對戰。不難想像，當前的網路公司正陷入了這個惡性循環。因此，眾人的眼光當然就會瞄向比x86更有電力效率的ARM處理器。

雲端資料中心的建構，當前似乎還是以英特爾的「Xeon」高性能的x86處理器擔當伺服器的用途，隨著安裝數量的增加，電力效率的問題逐漸浮出，於是，有人開始思索ARM架構頂替的可能性。大家或許心中多少有點認知，網路應用本身性質的變化頗大；雲端的資料中心與傳統伺服器一般處理採用的相關型DBMS等存取OLTP(online transaction processing)有很大的不同，多數採用了如「Hadoop」為代表性的分散式處理。而分散式處理的擴展的途徑不外乎「規模擴大(Scale-up)」以及「向外擴展(Scale-out)」兩種路徑，也就是質與量的推升方式。若以雲端的屬性來說，當然是以後者為主流；畢竟，它的細粒度較好。

在雲端該是以Scale-out為主流方式。筆者製圖。

若是從單一處理器的處理性能為指標，ARM處理器當然輸於x86，但是就分散式的資料中心來說，若是有充分性能便十分足夠，極優的電力效率就會導引出利用價值。現階段針對此應用的ARM系SoC幾乎是流用Cortex-A9，不過新的Cortex A-15也終於發表。它支援了虛擬化的結構，40位元的實體位址定址空間，達成1TB的記憶體空間；也對應了ECC。ARM架構，當前還是以32位元的命令集架構為主流；雖然就資料中心而言，還勉強可以應付，不過，爾後還是要向64位元推進。ARM的CEO在主題演講中不就說了一句話嗎？

『下一個世代的關鍵字，就是64位元』，似乎藏隱了玄機。

若是從市場面來觀察，第一世代的走法大致上就是A9的四核心。ARM與很多公司合資的Calxeda，自從創立公司以來就默默地開發，一切資訊都不公開非常隱密。2011年初開始出貨樣品，就是搭載A9四核心的SoC。一個晶片含有DRAM的消耗電力約5W。若是搭載了120顆晶片(480核心)，約可以建構一般機架型4U的伺服器架構，建構費用約一半，消耗電力卻僅有傳統的1/10。

NVIDIA在移動式裝置所開發的Tegra系列系採用了Cortex A9，但是，針對伺服器應用卻是導入自己的微架構開發Denver。而Marvell也是使用獨自的微架構。

Samsung的A15整合晶片。

最後，來談論一個超級有趣的問題。那就是資料中心規格的開放化。就以世界上經營最大SNS的臉書來說，資料中心超越6萬台的伺服器。在2011年4月，該公司突然發表了「Open Compute」的企劃，將自己公司資料中心的詳細技術公開化。該公司資料中心的電力效率，若是依照Green Grid所定義的電力效率指標PUE(power usage effectiveness)來看，數值約1.07，算是不錯的數字。

「Open Compute」所公開的資訊非常多樣化，從伺服器單體涵蓋到資料中心。伺服器包拓了主機板的電路資訊、電源規格、機箱的CAD資料。而全體資料中心所用的無停電電源裝置UPS以及空調系統規格也都公佈。目前的「Open Compute」的伺服器規格僅有x86，沒有ARM。未來難說。

另外一方面，資料中心領域不限於「Open Compute」的硬體規範，建構雲端必要的軟體堆疊也朝向開放式。比如說，從事於雲端事業的Rackspace與NASA所協力開發的開放原始碼軟體基盤OpenStack，而Calxeda的目標就是讓ARM系SoC能夠在OpenStack上動作，作為雲端建構的參考設計。

總之，微處理器巨人，獨霸江湖數十寒暑，多少英雄好漢倚天屠龍，如AMD、Transmeta、IDT、Rise、Via等，卻都鍛羽而歸。如今有機會斷巨人手臂的，無它、就是ARM。

[ 參考資料暨延伸閱讀：]

1.        http://www.buildwindows.com/。

2.        http://www.microsoft.com/presspass/events/build/。Microsoft News Center。

3.        http://lifehacker.com/5839777/first-look-at-whats-new-in-windows-8。First Look at What’s New in Windows 8

4.        http://www.techradar.com/reviews/pc-mac/software/operating-systems/microsoft-windows-phone-7-5-mango-1031171/review。

5.        http://openstack.org/。

6.        http://opencompute.org/。

7.        http://www.thegreengrid.org/。

8.        http://www.calxeda.com/。

9.        http://en.wikipedia.org/wiki/Power_usage_effectiveness。