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【與Maker共舞】Intel Quark的演進與家族藍圖

作者:陸向陽

細說從頭

2001年,美國高盛的首席經濟師在他的報告中首次提出「金磚四國,BRIC」一詞,推論中國將於2041年超越美國,而印度會在2032年超越日本,另外巴西也將取代義大利,至於俄羅斯則會趕過英國,再超越德國,成為世界新的主導國。

聽來金磚四國擁有美好的遠景,但現階段依然在發展中。有鑒於人民消費力仍低,因此處理器晶片業者超微(AMD)在2004年提出50×15 Initiative計畫,期望能在2005年到2015年的10年內,讓全球半數以上的人(50%)都可以上網。

因應此計畫,AMD提出平價桌上型上網電腦PIC(Personal Internet Communicator),但其實50×15 Initiative計畫的推動目的,主要在促進銷售AMD的Geode平價處理器晶片。

2005年麻省理工學院(MIT)的媒體實驗室(Media Labs)提出第三世界學童用筆電的概念,目標在100美元以上,稱為OLPC(One Laptop Per Child)計畫,並以此計畫為基礎,開發出XO-1筆電。

MIT提出OLPC百元電腦計畫(Source

由於50×15、OLPC等計畫提供了更便宜的上網型個人電腦(PC),此舉極可能到威脅個人電腦處理器晶片大廠英特爾(Intel)。因此,為了不令PIC獨佔這塊市場,Intel也提出社區電腦(Community PC)與之抗衡,設定能給印度村落集體共用的一台桌上型上網電腦,另也提出Classmate PC概念,一樣是訴求給學童用的平價電腦,以抗衡XO-1。

上述的過往回顧,其實都總結於一點:訴求只用來上網瀏覽網頁內容的個人電腦,本來就有降價降規的空間,同時金磚四國還有大量人口尚無上網經驗。總的來說,這應該是個不錯的市場。

為了能更打入這塊市場,Intel不僅在2007年提出了口袋型上網機概念產品MID(Mobile Internet Device),更在2008年發表新系列的處理器晶片原子(Atom),同時也配套提出Netbook平價上網筆電、Nettop平價上網桌機等概念。

多數廠商開發成效有限

但是這一系列的發展,其實多數是以悲劇收場的。

除了Netbook因為訴求跌破400美元的平價小筆電,曾在2007~2008年造成一陣風潮外,其餘多半銷售平平甚或低落。AMD的PIC只銷售兩年就停止,XO-1則是無法壓在100美元內、銷量有限,MID也因過於昂貴及耗電而失敗;但同時間的蘋果iPhone卻開始崛起,2008年的iPhone 3G熱賣度更高,取代MID原本訴求的口袋上網機定位。

因2010年時iPad的崛起,讓Atom晶片在Netbook退燒後,轉而延伸至上述的新市場方向。初期發展較佳,然而隨著整體平板電腦需求退減,Atom晶片銷售也轉弱。Atom晶片也試圖打入手機市場,然而過於耗電的缺點,加上競爭對手陣營的力守,因此也無太大斬獲。其他應用則為HomeNAS與相關嵌入式應用。

上述一連串的失落案例,某種程度是主流資通訊技術業者太過一廂情願,僅從自己原有的視野出發,去看待金磚四國市場。Intel甚至更加貫徹「市場滲透」政策,除金磚四國外,也期望把平價PC概念推向如以色列、南非等次於金磚四國的高成長性國度,但收效依然有限。

設計低規低價的PC晶片與系統,再鎖定消費力相對有限的新興發展國家市場,或消費力較低的低齡學童等,屬於「用現有產品去拓展更多市場」路線,在這個路線不通的結果下,Intel的技術發展也順應轉向,於是Intel的執行長Paul Otellini也在2013年卸任,轉由Brian Krzanich接任。

卸任的Paul Otellini本身背景為市場行銷,這與Intel的文化格格不入,Intel向來由技術人引領全公司,因此歷屆執行長均是理工出身而非市場銷售,且擔任執行長前必須先擔任過營運長,所以執行長一律內升不外找(空降)。

雖然Paul Otellini合乎內升條件,但非理工的背景,造成他在領導團隊時備受挑戰。所以當新興國家推展平價PC的計畫不如預期,再加上在他帶領的時間裡,Intel營收利潤並無顯著成長的因素,於是Paul Otellini卸任,讓Intel回到理工背景的執行長領導路線。

重新出發,夸克登場

Intel處理器晶片的演進歷程(Source:陸向陽)

回到理工掛帥後,Intel也放棄「用現有產品找尋與滲透更大市場」這條路,轉而走向「在現有資通訊產業中發展新產品」的路線,所以在2013年宣示進入物聯網與穿戴式電子領域,順勢而生的晶片產品即是夸克(Quark)。夸克(Quark)言下之意,是比前述原子(Atom)更小的存在,事實上Quark也確實是更小型化的x86處理器晶片,明顯小於Atom。

由於Quark訴求的不再是Atom的PC相關市場,而是仍有高度應用想像空間的物聯網、穿戴式電子,且Intel認為,具有潛力的新應用產品,未來不知道會從何冒出,其發創者也不一定是Intel熟悉的現有PC系統業者。因此Intel積極擁抱創客、自造者(Maker)社群,在2013年提出Quark的同時,也提出Quark的開發板——伽利略(Galileo),並分送5萬片的Galileo給美國大專院校,希望大眾能更廣泛地使用Quark來開發新潛力應用產品。

Galileo開發版

為了擁抱廣泛存在的Maker市場,Galileo採行類似Arduino的軟體開發環境與語法,不僅Galileo的I/O接腳排列相容Arduino Uno,原本設計給Uno用的功能板(Shield),還可以不經電路修改或少許修改,就挪移到Quark/Galileo上使用,方便曾經接觸過Arduino的Maker們快速上手,並無痛接軌改用Quark/Galileo。

到了2014年,Intel持續精進Quark的相關發展,例如開發出類同於Arduino開發環境的軟體,直接與現行Arduino開發環境融合,而不再是各自獨立發展;在此同時,Galileo開發板也推出第二代(G2)。G2用USB取代RS-232傳輸,增加解析度12位元的脈寬調變(PWM),也增加了乙太網路供電(PoE)等。

Intel在2014年發表了愛迪生(Edison)運算模組,此模組內配置2個Quark核心,同年Intel也發表Quark與Atom搭配的Edison模組。Edison也可透過轉接方式相容於Arduino Uno接腳,軟體開發方式也相容Arduino IDE。

Edison模組

相容只是基本,Intel不僅讓一般業餘愛好者可以接觸、運用Quark/Edison,也適用於專業開發者。所以Intel也提供Edison Breakout Board開發板,不必相容於Arduino,也能進行硬體應用電路開發,而且軟體開發環境支援Eclipse、Wyliodrin,以及Intel自己的XDK,在程式方面也支援C/C++、Python、Node.js/JavaScript等,方便使用者發展不同的應用。

新款夸克擴大出擊

Quark與Atom相比,已經更嬌小且省電了。但Intel的目標就是以Quark為準,不斷追求優化,進而造就出更小更省電的x86晶片。2015年,Intel發表的新系列Quark,擁有更省電且整合度更高的晶片電路,相較於最初的Quark典型功耗(TDP)約2.2瓦,2015年版的新款Quark只要0.025瓦。

不過,超省電的代價是時脈頻率降低,從400MHz降至32MHz,執行效能因而減弱,但是Intel也開始如ARM般強調Per Watt Performance,意即「每瓦用電可以帶來多少效能」,因此Quark即使降低了運作頻率,相對效能也不會差到哪裡去。

既然推出新的Quark,則必須與原初Quark編號做出區隔。2013年原初Quark為X系列,如X1000、X1021等,約有8款;2015年的新Quark則為D系列,如D1000、D2000等;另有一個Quark SE C1000(SE指Second Edition第二版),也屬新款版本。

Intel Quark SE C1000 MCU

Intel推出Quark D2000開發套件

另外,新款Quark與初代Quark的相同處,即初代Quark有嬌小化封裝設計的Edison模組,新款的Quark也有更嬌小化封裝設計的居禮(Curie)模組,差別在Edison約為標準SD記憶卡大小,Curie則縮至只有鈕扣大小。

同樣的,Edison可以透過轉接相容Arduino,Arduino社群也推出一片新的開發板Arduino 101,上頭即使用Curie模組。使用Arduino電路硬體與程式軟體,就能開發出Quark/Curie應用,用意一樣在吸引Maker接觸與使用。

Edison與Curie都是針對體積最佳化的更小型模組,但Quark原初的開發路線還是存在,即Galileo開發板,這一塊Intel以Quark D2000的對應開發板取代。除此之外,Intel又加開過去沒有的兩個路線:一是Quark D1000,另一是Quark SE C1000,用意特別。

D1000與SE C1000

既然已用D2000開發板接替Galileo開發板,以及用Curie接替Edison,為何還要延伸發展D1000與SE C1000?

Intel推出D1000,推估其意在建立一個全新的技術生態系統(Ecosystem),過往無論從Core、Atom乃至Quark,均一脈相承地相容x86指令集,然而x86指令集有繁瑣、耗電的特性,不似ARM指令集一起頭即有精簡、省電的設計。

Intel希望D1000能徹底擺脫這個技術特性的差異,因此改行不同的指令集,讓一切軟體重新建立,包含開發工具、函式庫、作業系統、驅動程式等,如此在省電競賽上,才能進一步拉近與ARM陣營的差距。

也因為不相容過往,所以Intel為Quark系列所發展出的專業軟體開發工具ISSM(Intel System Studio for Microcontroller,以Eclipse開放專案為基礎修改而成),可以支援D2000、SE C1000,卻唯獨不支援D1000,還需要時間重新建立。

D1000和SE C1000的多面向比較(Source:陸向陽)

至於SE C1000,可以說是體積、節能與效能的平衡版。

新款Quark為了更省電,降低了時脈頻率及相關硬體資源(如減少記憶體容量),甚至廢除過往x86的多媒體指令集,如MMX、SSE等,再加上Curie追求極小化,因此也犧牲了許多方面的硬體表現。

而同樣追求小型化的SE C1000,卻在效能與資源上進行補償,例如D1000僅有8KB SRAM,SE C1000則增至80KB,其他各方面硬體都有所強化,甚至整合了數位信號處理(DSP)等。

更簡單說,從Quark X到Quark D,以及從Edison到Curie,體積都更小了,但犧牲的硬體表現也更多了,因此若不想犧牲這麼多,SE C1000是另一個選擇。

Quark晶片與相容的開發版示意圖(Source:陸向陽)

結語

最後總結一下,若沒有過往的軟體開發投資等包袱,其實Intel是可以從D1000開始的,但初期得要忍受缺乏各種軟體資源及其他資源的痛苦,因為幾乎是一切從零開始,好處是可以相當省電。

而正規的Quark路線,則由D2000繼承,過往已經習慣Quark X系列的使用者,四平八穩而言,通常會選擇D2000;有更多硬體效能或硬體資源需求的,就選擇SE C1000。而過去使用Edison的,可以升級改用Curie。

到這裡也可以看出Intel有多科技(宅)風,直接以科學家、天文學家、發明家、物理名詞來為產品命名,雖不能申請成註冊商標等專有詞,但只要前面掛上Intel字樣,一樣具有宣達、行銷力。

再從軟體開發角度而言,Maker圈最熟悉的Arduino IDE,過去可在Galileo開發板上使用,但新的D1000等開發板上似乎改以專業的ISSM為主,不過Maker依然可在Arduino 101開發板使用Arduino IDE。

另外,Intel為了讓專業開發更容易些,特別為新的Quark設計了硬體抽象層,稱為QMSI(Quark Microcontroller Software Interface),期望程式設計師呼用此介面,省去低階硬體控制的程式開發工作。QMSI適用於D2000、SE C1000,但如前述,因為D1000不相容x86指令集,因此也無法使用QMSI。

Intel還有一連串的軟體支援行動,例如在第二代Edison內的原初Quark,所執行的即時作業系統為ViperOS;新款Quark則有另一即時作業系統的支援,為Zephyr RTOS(原本Intel購併的Wind River的Rocket作業系統,併入Zephyr一起後續發展),以及Wind River Pulsar Linux(針對物聯網應用發展的輕量型Linux)等。其用意都在於讓新應用發展所需的一切,能更快速、齊全地到位,並且更快完成主流大宗應用的探索工作,讓新市場儘快成形起飛。

本文偏重於產品藍圖介紹,有關Intel Quark的實戰實務,如D2000開發板與ISMM軟體開發環境等,會再另闢專文介紹。

(責任編輯:林佳盈)

陸向陽

陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。
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