3 年將砸逾 2,100 億、攜手台積電!OPPO 的野「芯」,有多深?
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3 年將砸逾 2,100 億、攜手台積電!OPPO 的野「芯」,有多深?

2021 年 12 月 19 日

 
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大多數七、八年級生都曾有過這樣的經歷,皎潔的月光下,你看到一個極美的風景,於是掏出手機來拍照,結果只能夠得到一張黑乎乎看不清的照片。這並非手機出了問題或者使用者操作不當,只是 7、8 年前智慧型手機拍攝能力真的做不到。作為一個體積極度受限、無法以更大的物理尺寸換來更大鏡頭光學組件、感測器的拍攝硬體,手機的光學成像能力相當 “ 有限 ”,也讓 “ 手機永遠不可能替代專業相機 ” 的論斷一度是所有消費者的共識。

但近些年 “ 計算攝影 ” 的加入,智慧型手機的拍攝能力獲得了新的提升路徑。通過在光學采集資訊的基礎上引入計算能力,催生 HDR、人像模式、夜景模式、星空模式等全新拍攝模式。這些新功能持續浮現、高速公路發展的同時,也開始反過來對計算能力和硬體提出全新的需求。

以近些年發布的旗艦級手機為例,雖然官方都會提供 HDR、夜景拍攝等功能,但一旦選擇最高的 4K 解析度或者其他解析度下的高幀率畫質,附帶的計算攝影功能就會無法使用。最直接的原因在於現有的手機 SoC 平台無法強力、高效地處理這樣的需求。

▲OPPO 自研晶片馬里亞納 MariSilicon X在 5lux 亮度下影片表現

在 12/14 開幕的 OPPO INNO DAY 2021 未來科技大會上,OPPO 官方放出了一段差距明顯、4K 極暗條件下的影片拍攝效果對比。“ 馬里亞納 MariSilicon X 原型機 ” 的效果明顯優於蘋果(Apple, AAPL-US)iPhone 13 Pro Max 和自家 Find X3 Pro,秘密在於它塞進了 OPPO 首款自研晶片、影像專用 NPU 晶片 “ 馬里亞納 MariSilicon X ”,極大地提升了計算攝影的能力和參與程度。

在發布新自研晶片再次突破手機計算攝影能力 “ 天花板 ” 的背後,是 OPPO 對於 “自研晶片 ” 首次集中展示的決心,以及部分他們未來發展的思路。

用最深海溝命名,“ 馬里亞納 ” 成色幾何?

大部分中國消費者對於 “馬里亞納 ” 的記憶很可能還停留在中學的地理課上,作為地球表面最深處,馬里亞納海溝最大深度達到 11,034m,平均深度也超過 8,000m。OPPO 選擇以此命名,顯然是想表達自己對於手機最底層的晶片發起衝擊。

至少從首款晶片 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 的產品細節和能力來看,絕對超出了大部分人的預期。

▲ OPPO 首個自研晶片馬里亞納 MariSilicon X

作為全球首顆為影像而生的專用 NPU 晶片,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 採用了目前晶片業界相當先進的台積電 6nm 製程工藝。微架構部分由 “ 馬里亞納 MariNeuro ” 自研 AI 計算單元、“ MariLumi ” 自研影像計算單元、配套的影像專用內處理器子系統和 I/O 組件組成。

“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 在規模上也相當可觀,這一點從算力上就可以看出。獨立於 SoC(晶片系統)存在的它擁有高達 18TOPS @ int8 的計算能力,在 AI 算力上已經超越蘋果目前最新的 A15 SoC 處理器。

根據官方給出的對比,憑藉強大的算力,在 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 上運作AI降噪模型,比 Find X3 Pro(驍龍 888)快了 20 倍,也讓手機首次實現了 “ 4K + 20bit RAW+AI+Ultra HDR ” 的計算攝影處理水平,毫無疑問是目前手機計算攝影的新高度。

更難得的是,在實現高算力的同時,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 表現出了極高的能效比,在運作 4K 40 幀畫面 AI 運算時,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 僅需 0.797W 的功耗,而 Find X3 Pro 的通用 NPU 的算力僅支持 4K 2 幀的 AI 運算,同時功耗高達 1.693W,整體能效比相差約 40 倍。

除了最基礎的算力和能效比之外,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 還將提升的目光聚焦到了過往影像升級的不起眼之處:將影像原始數據傳輸和計算的位寬進一步提升到 20bit。這就好比把晶片原來通向感測器的 “ 國道 ” 被升級成了更寬的 “ 高速公路公路 ”,傳輸相機感測器數據的能力大大增加。

這樣的做法在通用晶片平台中比較少見,對於前者而言,影像的絕對能力並不關鍵,而是構建商業和產品性能之間的平衡。

▲ 馬里亞納 MariSilicon X Ultra HDR 效果

全新等級的傳輸位寬,配合 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 中的 “ MariLumi ” 影像處理單元,可以顯著提升 HDR(高動態範圍成像)能力表現,OPPO 官方將之稱為 Ultra HDR 的表現。對於普通用戶來說,將會在明暗對比強烈的場景中獲得更好的最終成像結果。

要知道,安卓陣營剛剛發布的另外一個旗艦通用平台,也僅支持光比 18bit,而第一次做晶片的 OPPO 就直接將性能拉滿到 20bit。看似不起眼的 “ 2bit ”,意味著畫面光比整體提升 4 倍,直接從原來的 25 萬:1,直接提升到 100 萬:1 。

最後是 RGBW Pro 模式,傳統手機相機感測器都是採用經典的 “ 拜爾陣列(RGGB,紅綠綠藍)”,感測器每一個像素實際上接收到的都是 “ 被 ” 過濾以後的光訊號。為了提升暗光之下的表現,將其中部分的感測器像素替換成不需要進行過濾的 W(白光)單元,就是一種非常主流的思路。

在 OPPO 先前發布的 Reno7 Pro 上,就搭載了全新的 RGBW 感測器,通過在每個像素中引入兩個 W 像素,使得感測器整體的進光量增加了近 50%。雖然感測器已經有所提升,但過往 RGBW 感測器過往輸送給 SoC 平台的,其實都是轉換後的 RGGB 訊號,造成相機感測器采集的數據直接被 “ 損耗 ”。

在這次的新晶片 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 中,OPPO創新地採用了 “ RGGB+W ” 雙路訊號傳輸,將感測器 W 像素帶來的更多進光真實地保留下來,整體增幅黑暗場景的拍攝能力。根據 OPPO 官方分享的數據,憑藉 RGBW Pro 模式,能夠提升 70% 的解析力表現,提升 8.6dB 的信噪比。

全方位的新技術應用,最終才帶來了開篇中 4K 極暗條件下影片拍攝效果的巨大差異。值得一提的是,雖然 OPPO 官方這次核心公布的場景只有一個,但作為 NPU 晶片,自身肯定具備神經網路和學習能力,代表著這顆晶片自然具備可拓展影像能力。

當然,僅有以上的表現無法被成為對計算影像提出了新標準。這次 OPPO 自研的 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 中,最有價值和深意的,實際上是計算影像鏈路革新。

過去無論驍龍還是聯發科( 2454-TW )的處理器,都要在 YUV 域(手機成像的一個特定格式階段)內進行處理。這種做法極大地降低了手機通用平台和相機感測器的兼容性難度,但同時也導致感測器的大量原始資訊丟失。手機廠商所能做的更多是通過後期彌補已有的損傷,遠沒有達到相機感測器的真實性能水平。

而這次在自研晶片中,OPPO 將計算鏈路前置,能夠實現即時的 RAW 域計算。熟悉攝影的朋友對 RAW 這個名詞必然不陌生,因為這代表著原始數據。OPPO 之所以一定要將計算放在 RAW 域,最根本的目的,就是要讓畫面無限還原,盡可能保證畫面的 “ 原汁原味 ”。而在業內看來,這也是未來計算影像的重要方向和標誌。

▲ 馬里亞納 MariSilicon X 提出的計算影像黃金點

▲ 馬里亞納 MariSilicon X

“ 高舉高打 ”,OPPO 自研晶片的宏大野心

在 OPPO 之前,中國手機廠商中也有別的廠商嘗試自研 SoC 中的 ISP 模組,但無論從硬體能力還是實際應用效果上來看,都和 OPPO 這次自製晶片產出的 NPU 還是有所差異。

原因主要有三點:

一、“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 獨立於 SoC 存在,具備完整的計算模組、儲存模組和 I/O 模組,是一個獨立的晶片,更能被看作是一個 “ 簡易版 SoC ”
二、“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 採用了台積電的 6nm 先進製程工藝,意味著 OPPO 高機率已經進入台積電的重點客戶名單
三、OPPO 將會把這顆晶片實際運用在下一代的 Find X 系列產品中。

先說第一點,手機產業目前普遍採用的是 SoC 平台架構,即將手機正常運作所需的各種晶片模組,例如 CPU、GPU、ISP、DSP、內處理器、基頻等等,全部封裝到同一顆晶片之上。

“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 本質上則是跟 SoC “ 平起平坐 ” 的獨立晶片,不僅擁有完整的計算模組、儲存模組和 I/O 模組,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 在功能上還與相機感測器直接相連,超前於 SoC 的運轉。不止體現了 OPPO 更強的自研晶片的實力,更讓人對於 OPPO 未來做晶片的想法浮想聯翩。

其次非常關鍵的是製程工藝,眾所周知手機晶片在晶片製程上的 “ 戰爭 ” 一直非常激烈,每年高通(Qualcomm, QCOM-US)、聯發科( 2454-TW )、蘋果都會爭搶台積電最先進的工藝製程產能。“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 能用上 6nm ,首先證明 OPPO 真的願意花錢。根據先前產業鏈中的傳聞,OPPO 這一次 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 的流片(晶片在晶圓廠的試生產流程)非常順利,但仍花費了近億元。

對於台積電而言,其實也一直試圖尋找一個能進入高階製程的中國新玩家。但在先進製程晶片背後,其實需要廠商自身具備相當強的晶片設計能力、晶片規劃能力以及未來的資金儲備。目前中國營能力設計 6nm 製程晶片的廠商高機率僅有——華為海思、OPPO 及阿里。

從結果來看,台積電顯然是對 OPPO 的產品和發展思路有所認可。儘管 OPPO 只是第一次做晶片,儘管只是一顆專用的影像 NPU 晶片,台積電依舊給分配了 6nm 先進製程的產能。有了這次合作的基礎,兩者未來的合作必然會更加順利、也更加緊密。

最後是實際運用,自 2019 年後,借晶片概念進行 “ 技術宣傳 ” 一度非常流行,但很多自研的 “ 新晶片 ” 卻遲遲沒有出現在終端產品中。相比之下,OPPO 敢於將自研晶片推向消費級旗艦產品,就是其晶片能力最強的自我證明。

參考官方目前公布的各種參數、性能所透露出來的晶片規模,參考晶片產業的相關數據,“ 馬里亞納 MariSilicon X ” 單顆晶片成本可能就高達幾百元級別。在激烈的手機產業中如此大膽地進行成本上的 “ 加碼 ”,OPPO 對於晶片投入的膽量可見一斑。

值得一提的是,OPPO 早在 2019 年就成立了自研晶片團隊,當時官方宣布 3 年研發投入 500 億元。“ 馬里亞納計劃 ” 在 2020 年 OPPO 內部發布的文章《對打造核心技術的一些思考》中就已經提到。

巨額投入換來的是龐大的晶片研發揮效果量,根據第三方研究機構透露的資訊,OPPO 的晶片子公司澤庫員工人數已超過 2,000 人,成為僅次於華為海思的 “ 國內第二大晶片設計公司 ”。

這樣的人員規模,顯然不只是為了完成一個 “ 馬里亞納項目 ”,而是將自研晶片的戰略持續貫徹下去,創造出更大的可能性。OPPO CEO 陳明永在今年 INNO DAY 上的講的一句話,其實也表達了這樣的深意:

“ 我們會持續投入資源,用幾千人的團隊,去腳踏實地做自研晶片。”

半導體自製,中國手機廠商的唯一 “ 出路 ”

縱觀無論智慧型手機產業還是網路產業,晶片自製已經成為共識。

尤其是在蘋果近兩年憑藉 M1 系列晶片,在平板和筆記本的實際性能和功能表現上,實現了遠超晶片硬體本身性能提升的發展速度之後。進一步推動消費電子產品軟硬體整合,通過自研 “ 晶片+算法+應用 ” 的垂直優化路線已成為消費電子領域大勢所趨。

以拍攝能力為例,相比蘋果的 “ SoC、感測器、算法、應用 ” 閉合生態,安卓智慧型手機陣營的高度產業細分已經開始成為阻礙。SoC、相機感測器廠商都有自己的研發計劃,相互之間沒有深度的配合,夾在中間做下游整合的手機廠商只能遷就於上游廠商,在有限的時間內一邊 “ 打補丁 ” 一邊 “ 尋找 ” 和其他手機廠商差異化的空間。

“ 吃力不討好 ” 的產業現狀,唯有手機廠商自研晶片能夠打破。以 OPPO 這次的 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 為例,因為其完全獨立於手機 SoC 存在,OPPO 將自研算法寫入感測器內,通經得起考驗體的深度配合、算法的持續升級持續提升拍攝能力。後期還可以反過來作為 SoC AI 算力的補充,為一些 AI 應用提供額外的支持。

放眼未來,即便是在影像外,像 “ 馬里亞納 MariSilicon X ” 這樣的外置 DSA 晶片同樣有潛在需求。尤其是在目前手機各種 SoC 無法更快、更省電地完成相同任務的前提下,手機廠商完全可以持續叠代自研的 DSA 性能和功耗表現,與更輕量化的高通、聯發科 SoC 平台配合,以 “ 一機雙芯 ” 乃至 “ 一機多芯 ” 的方式提升用戶的整體體驗。

當然,無論是延續外置晶片的新路線,還是未來直接升級到自研 SoC 的老路線,最核心的挑戰其實都是自我晶片實力的提升。OPPO 顯然想明白了這個道理,通過對晶片提前而持續的投入,OPPO 已獲得中國手機產業下一場競賽的先機。

虎嗅網》授權轉載

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