回顾2012年初，大陆手机业者打出「蓄4待发」的规格口号，亦即4核处理器、4吋以上萤幕、4G通讯（指LTE，但真正4G通讯应为LTE-Advanced）及Android 4.0作业系统。

而2013年，业界开始提出新一波主打规格，其中手机处理器被高度预估将有8核发展，若此属实，则纯就核数而言，已比一般PC处理器所用的核心更多（2～4核），可谓达伺服器水准，到底手机是否需要达8核水准？以下将从技术角度进行探讨。

多核不等于高效能

核心数的增加，不代表运算效能也线性增加，而是逐渐趋缓的走势，在相同时脉、相同制程、相同微架构的电路设计等前提下，若单核晶片的效能为100%，则双核晶片的效能不会是200%，而是低于200%，原因在于2个核心必须对运算工作进行沟通协调，协调即会造成效能损耗。

若要减少核心间的协调耗损，则需要传输量大、路由绕径智慧化的晶片内汇流排（On-Chip Bus），好的汇流排设计可以减少损耗，如双核可达170%效能，协调耗损为30%，差的汇流排则高损耗，双核仅有140%效能。

随着晶片内核数的增加，每增加1个核所能带来的边际效能将​​递减，假若单核为100%效能，追加第2核可再加70%效能，但再追加第3核恐仅再加60%，第4核更只有50%，将4个核加总的结果是100+70+60+50=280，即4核的真实效能仅为2.8核。

此为单纯硬体电路方面的效能估算，不代表软体实际执行所发挥的效能，倘若手机作业系统不能对多核进行最佳化编译，不能即时、充分发挥硬体功效，则效能还必须再往下打折扣。举例而言，Windows Phone 7.x版的手机作业系统仅能支援单核，即便采行双核手机晶片，依然只能发挥单核功效。

如果晶片电路能在愈多核的情况下，其协调折耗仍然很少，学理上称为效能的扩展延伸性（Scalability）佳，再将作业系统，甚至是作业系统之上的资料库、虚拟机器、应用程式等一并考虑，这些软体也必须同样具有扩展延伸性，如此效能才能获得充分发挥，此称为真实应用效能（Real Application Performance），而不是只在特有的基准标竿（Benchmark）测试上得到高分。

图一 : 最理想的多核效能扩展延伸是线性扩展（Scaling Linearly），每增加1个处理核心，均可增加100%的效能，然此在实务上几乎不可能，至多在基准标竿测试中出现逼近结果。（图片来源：gwan.com）

多核的功耗挑战

增加核数除对效能有影响外，功耗用电也会受影响，每增加1个核，意味着核的用电增加1倍，双核为2倍用电，8核便则8倍用电。

为了减少耗电，晶片业者着手更智慧化的省电设计，采行如同家庭与办公大楼类似的省电手法，凡没有在用的房间立即关灯，减少照明用电。类似的，多核晶片把晶片内的多个电路功效划分成一个个的岛区，当软体不支援多核执行时，就把多核的供电关闭，仅提供单核供电，或需要多少个核执行即对多少个核提供电力，以此精省晶片的整体电能。

这样还不够，​​晶片业者发现晶片的运作时脉每增加10%，功耗则高至20~30%，用电量呈指数性攀升。为了节省电能，许多产品的CPU多以降频方式执行，如ASUS Eee PC与Apple iPhone等，在时脉上都降低30%，但电能却可精省至50%，以此增加电池使用时间。

进一步的，晶片业者也发现愈是高阶制程架构的处理核心，在重度运算负荷下的用电效益较佳，一旦处于轻载状态，反有较高的基础电能开销。因此，新的行动用晶片除了单纯增加核心外，也加入较初阶的处理核心。

1. 高低组态核心搭配趋势

例如TI OMAP4晶片在配置2个Cortex-A9核心外，也配置2个Cortex-M3核心，一旦晶片处于轻载（轻运算负荷）状态，则关闭对A9核心的供电，仅交由Cortex-M3核心执行，而在负荷变重时才唤醒A9投入运算。

类似的，TI OMAP5也延续类似设计，采行2个Cortex-A15与2个Cortex-M4，或如NVIDIA Tegra 3晶片，一般在行销上宣称为4核晶片，但实际上晶片内配置了5个Cortex-A9核心，其中第5核心以较低时脉运作（500MHz，另4核为1.2GHz～1.6GHz），在轻载状态下使用，功效角色类似OMAP4中的Cortex-M3，也类似OMAP5中的Cortex-M4。

由于高低组态搭配已成了「为追求省电而不得不采行的设计趋势」，因此手机处理核心的领导业者ARM也提出官方版的高低搭配设计，称为big.LITTLE技术，提出以Cortex -15（重载）与Cortex-A7（轻载）搭配的高低组合。

事实上，目前最受关注、最可能率先推出8核设计晶片的业者是Samsung，侧面消息显示Samsung将推出的Exynos 5440即为8核晶片，内部的核心配置为4个Cortex-A15（1.8GHz）与4个Cortex-A7（1.2GHz）。

图二 : NVIDIA Tegra 3芯片的裸晶图，可明显看到中间5个Cortex-A9核心，其中有1颗以低频运作为主。（图片来源：NVIDIA）

2. 即时动态调整频率

除高低微架构的核心搭配外，即时动态调整运作频率也成为「效能与用电」兼顾的手法，如Tegra 3在4核全开（不列计500MHz的低频）时每个核以1.2GHz时脉运作，但若仅1核运作时，时脉则可拉高至1.3GHz，时脉能拉高的原因有二，一是单核少去与他核沟通协调，可更加速执行，二是关闭多核后仅一核运作，晶片的功耗较低，发热较少，允许以较高时脉运作，因为温度也是晶片能否更高速运作的条件。

事实上，Intel的Turbo Boost技术即是侦测处理器晶片温度来自动决定晶片能否以更高频率运作，若温度升高至晶片难再承受的程度，便会尝试降低晶片的运作时脉，以缓和晶片持续高热的情况，待温度降至可承受的程度后，才再次调高运作时脉。

多核的制程议题

增加核数除了影响效能、功耗外，成本与体积（或称电路面积）也必须考虑。从制造层面考虑，则晶片电路面积几等于晶片成本，另再加外部的封装、测试成本，而采行更先进、更缩密的半导体制程，例如从40nm缩至28nm，则初期的光罩成本高昂，但晶片的量产成本却可降低，不过先决条件是新旧制程的良率一致，没有恶化，然新制程初期的良率较低。

在此还要提醒考虑另一成本，即处理核心的授权成本，依据ARM所订立的商业规格，每使用一种核心即必须先支付技术授权费，而后每颗晶片若有配置了该核心，则每颗都会被收取量产权利金。因此，核数愈多即表示要支付愈多费用给ARM，若采行不同类型的ARM核心，也必须再支付一笔使用他款核心的技术授权费。

一切为了行销

归结上述可了解，所谓8核并非是相同强悍规格的核心，而是重载型、轻载型高低搭配的核心，效能不仅不可能是重载单核的8倍，以半数核心均属轻载型的组态配置下，效能恐与现有4核重载设计相差无几，或是在轻载多核的运算需求下有较佳的表现。

不过，确实有晶片业者确实构想8个均为重载型核心的晶片，目前传闻MTK的MT6599晶片将是8个Cortex-A15核心，然如前所言，即便拥有8个核，效能也不会是单核的8倍，而是逐核递减。重载8核的设计，确实能比4轻核加4重核更有效能，但也可能更耗电，因此已知MT6599将采28nm制程生产，以新制程收敛功耗。

若无上述的技术，对一般终端消费者而言，仅以广告行销与规格型录研判，则认为8核拥有显著的效能提升，进而提高选购意愿，此正是手机晶片业者与手机业者所期望的，8核在规格行销上是个很好发挥的题材。

结论

最后，不仅手机处理晶片，各应用领域的处理晶片均朝多核化发展，原因在于持续精进处理器的微架构设计，所能带来的加速效益已经趋缓，且每更动一次设计，连带的后续验证程序过于繁复，经常有晶片已投片量产才发现设计有瑕疵错误，之后以韧体、软体方式去弥补，甚至回收晶片。另外以单核、少核晶片为基础，以提升运作时脉的方式获取效能，也一样碰上瓶颈。

相对的，由于半导体缩密制程技术的精进，且多核执行的编译器成熟发展，因此多核成了近年来处理器持续提升效能的主流手段，核心直接增加数目的好处是不用再对设计进行验证，因为过往已验证过，然缺点如前所述，晶片间的沟通协调成了新的效能瓶颈，因此多核晶片的后续技术精进，多聚焦在核心间的汇流排上。

往未来看，手机处理晶片的效能也将如个人电脑处理晶片一样，逐渐达到效能需求饱和的情景，且随Internet、云端应用的发达，晶片内外的传输通量将成为发展重点，晶片运算执行处理效能则退至次位要求，这样的趋势已逐渐到来。

（作者为CTIMES特约主笔）