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OPPO的野“芯”,有多深?

大多數80后、90后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,于是掏出手機來拍照,結果只能夠得到一張黑乎乎看不清的照片。這并非手機出了問題或者使用者操作不當,只是7、8年前智能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、傳感器的拍攝硬件,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,智能手機的拍攝能力獲得了新的提升路徑。通過在光學采集信息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、高速發展的同時,也開始反過來對計算能力和硬件提出全新的需求。

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分辨率或者其他分辨率下的高幀率畫質,附帶的計算攝影功能就會無法使用。最直接的原因在于現有的手機SoC平臺無法強力、高效地處理這樣的需求。

在今天開幕的OPPO INNO DAY 2021未來科技大會上,OPPO官方放出了一段差距明顯、4K極暗條件下的視頻拍攝效果對比?!榜R里亞納 MariSilicon X原型機”的效果明顯優于蘋果iPhone 13 Pro Max和自家Find X3 Pro,秘密在于它塞進了OPPO首款自研芯片、影像專用NPU芯片“馬里亞納 MariSilicon X”,極大地提升了計算攝影的能力和參與程度。

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

最深海溝命名,“馬里亞納”成色幾何?

大部分中國消費者對于“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11034米,平均深度也超過8000米。OPPO選擇以此命名,顯然是想表達自己對于手機最底層的芯片發起沖擊。

至少從首款芯片“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。

作為全球首顆為影像而生的專用NPU芯片,“馬里亞納 MariSilicon X”采用了目前芯片行業相當先進的臺積電6nm制程工藝。微架構部分由“MariNeuro”自研AI計算單元、“MariLumi”自研影像計算單元、配套的影像專用內存子系統和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。獨立于SoC(片上系統)[email protected],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,憑借強大的算力,在“馬里亞納 MariSilicon X”上運行AI降噪模型,比Find X3 Pro(驍龍888)快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,在運行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。這就好比把芯片原來通向傳感器的“國道”被升級成了更寬的“高速公路”,傳輸相機傳感器數據的能力大大增加。

這樣的做法在通用芯片平臺中比較少見,對于前者而言,影像的絕對能力并不關鍵,而是構建商業和產品性能之間的平衡。

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(高動態范圍成像)能力表現,OPPO官方將之稱為Ultra HDR的表現。對于普通用戶來說,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臺,也僅支持光比18bit,而第一次做芯片的OPPO就直接將性能拉滿到20bit??此撇黄鹧鄣摹?bit”,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。

最后是RGBW Pro模式,傳統手機相機傳感器都是采用經典的“拜爾陣列(RGGB,紅綠綠藍)”,傳感器每一個像素實際上接收到的都是“被”過濾以后的光信號。為了提升暗光之下的表現,將其中部分的傳感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此前發布的Reno7 Pro上,就搭載了全新的RGBW傳感器,通過在每個像素中引入兩個W像素,使得傳感器整體的進光量增加了近50%。雖然傳感器已經有所提升,但過往RGBW傳感器過往輸送給SoC平臺的,其實都是轉換之后的RGGB信號,造成相機傳感器采集的數據直接被“損耗”。

在這次的新芯片“馬里亞納 MariSilicon X”中,OPPO創新地采用了“RGGB+W”雙路信號傳輸,將傳感器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,憑借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極暗條件下視頻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芯片,自身肯定具備神經網絡和學習能力,代表著這顆芯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臺和相機傳感器的兼容性難度,但同時也導致傳感器的大量原始信息丟失。手機廠商所能做的更多是通過后期彌補已有的損傷,遠沒有達到相機傳感器的真實性能水平。

而這次在自研芯片中,OPPO將計算鏈路前置,能夠實現實時的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志。

“高舉高打”,OPPO自研芯片的宏大野心

在OPPO之前,國產手機廠商中也有別的廠商嘗試自研SoC中的ISP模塊,但無論從硬件能力還是實際應用效果上來看,都和OPPO這次造芯產出的NPU還是有所差異。

原因主要有三點:一是“馬里亞納 MariSilicon X”獨立于SoC存在,具備完整的計算模塊、存儲模塊和I/O模塊,是一個獨立的芯片,更可以被看作是一個“簡易版SoC”;二是“馬里亞納 MariSilicon X”采用了臺積電的6nm先進工藝,意味著OPPO大概率已經進入臺積電的重點客戶名單。三是OPPO將會把這顆芯片實際運用在下一代的Find X系列產品中。

先說第一點,手機行業目前普遍采用的是SoC平臺架構,即將手機正常運行所需的各種芯片模塊,例如CPU、GPU、ISP、DSP、內存、基帶等等,全部封裝到同一顆芯片之上。

“馬里亞納 MariSilicon X”本質上則是跟SoC“平起平坐”的獨立芯片,不僅擁有完整的計算模塊、存儲模塊和I/O模塊,“馬里亞納 MariSilicon X”在功能上還與相機傳感器直接相連,超前于SoC的運轉。這不止體現了OPPO更強的自研芯片的實力,更讓人對于OPPO未來做芯片的想法浮想聯翩。

其次非常關鍵的是制程工藝,眾所周知手機芯片在芯片制程上的“戰爭”一直非常激烈,每年高通、聯發科、蘋果都會爭搶臺積電最先進的工藝制程產能?!榜R里亞納 MariSilicon X”能用上6nm,首先證明OPPO真的愿意花錢。根據此前產業鏈中的傳聞,OPPO這一次“馬里亞納 MariSilicon X”的流片(芯片在晶圓廠的試生產流程)非常順利,但仍花費了近億元。

對于臺積電而言,其實也一直試圖尋找一個能進入高階制程的大陸新玩家。但在先進制程芯片背后,其實需要廠商自身具備相當強的芯片設計能力、芯片規劃能力以及未來的資金儲備。目前中國有能力設計6nm制程芯片的廠商大概率僅有4家——華為海思、聯發科、OPPO以及阿里。

從結果來看,臺積電顯然是對OPPO的產品和發展思路有所認可。盡管OPPO只是第一次做芯片,盡管只是一顆專用的影像NPU芯片,臺積電依舊給分配了6nm先進制程的產能。有了這次合作的基礎,二者未來的合作必然會更加順利、也更加緊密。

最后是實際運用,自2019年后,借芯片概念進行“技術宣傳”一度非常流行,但很多自研的“新芯片”卻遲遲沒有出現在終端產品中。相比之下,OPPO敢于將自研芯片推向消費級旗艦產品,就是其芯片能力最強的自我證明。

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

值得一提的是,OPPO早在2019年就成立了自研芯片團隊,當時官方宣布3年研發投入500億元?!榜R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芯片研發力量,根據第三方研究機構透露的信息,OPPO的芯片子公司澤庫員工人數已經超過2000人,已經成為僅次于華為海思的“國內第二大芯片設計公司”。

這樣的人員規模,顯然不只是為了完成一個“馬里亞納項目”,而是將自研芯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,去腳踏實地做自研芯片?!?/p>

造芯,中國手機廠商的必經之路

縱觀無論智能手機行業還是互聯網行業,造芯已經成為共識。

尤其是在蘋果近兩年憑借M1系列芯片,在平板和筆記本的實際性能和功能表現上,實現了遠超芯片硬件本身性能提升的發展速度之后。進一步推動消費電子產品軟硬件整合,通過自研“芯片+算法+應用”的垂直優化路線已經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、傳感器、算法、應用”閉合生態,安卓智能手機陣營的高度產業細分已經開始成為阻礙。SoC、相機傳感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于上游廠商,在有限的時間內邊“打補丁”邊“尋找”和其他手機廠商差異化的空間。

“吃力不討好”的行業現狀,唯有手機廠商自研芯片能夠打破。以OPPO這次的“馬里亞納 MariSilicon X”為例,因為其完全獨立于手機SoC存在,OPPO將自研算法寫入傳感器內,通過硬件的深度配合、算法的持續升級持續提升拍攝能力。后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,即便是在影像之外,像“馬里亞納 MariSilicon X”這樣的外置DSA芯片同樣有潛在需求。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迭代自研的DSA性能和功耗表現,與更輕量化的高通、聯發科SoC平臺配合,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,無論是延續外置芯片的新路線,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芯片實力的提升。OPPO顯然想明白了這個道理,通過對芯片提前而持續的投入,OPPO已經獲得國產手機行業下一場競賽的先機。

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