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OPPO首個自研芯片背后:DSA的勝利

2021-12-15
作者:李壽鵬
來源: 半導(dǎo)體行業(yè)觀察
關(guān)鍵詞: OPPO 芯片 DSA

  2019 年 2 月,圖靈獎獲得者John Hennessy 和 David Patterson發(fā)布了一篇名為《A new golden age for computer architecture》的文章。在文章中他們指出,伴隨著摩爾定律和登納德縮放定律的終結(jié),要想獲得像 20 世紀(jì)八九十年代那樣的的性能改進(jìn),就需要新的架構(gòu)方法,以更高效地利用集成電路,而DSA就是他們想要的答案。

  據(jù)他們在文章中介紹,所謂DSA(domain specific architecture,特定領(lǐng)域架構(gòu))是一種針對特定領(lǐng)域定制的可編程處理器,能夠用于加速某些應(yīng)用程序,實現(xiàn)更好的性能。如現(xiàn)在因為AI大行其道的GPU就是一個基于DSA思路設(shè)計的產(chǎn)品。包括谷歌、Tesla和Cerebras在內(nèi)的廠商也針對其特定應(yīng)用推行他們的DSA芯片。

  日前,本土手機(jī)廠商OPPO也帶來其影像專用NPU——馬里亞納? MariSilicon X,揭開了公司造芯的神秘面紗。透過這個芯片,我們不但看到了這個手機(jī)巨頭在提升用戶體驗方面的“芯”思考,也看到了屬于DSA的又一場勝利。

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  DSA在影像NPU上的實踐

  自蘋果在2007年推出第一代iPhone以來,智能手機(jī)在接下來十年經(jīng)歷了夢幻般的開局。不但芯片性能獲得了大幅度的增長,屏幕的體驗也獲得了跨躍性的提升。但進(jìn)入最近幾年,手機(jī)創(chuàng)新缺乏,這讓手機(jī)廠商將目標(biāo)瞄向了改善拍攝體驗,隨之也給手機(jī)芯片的影像處理提出了新的要求。

  作為一個需要處理多類型任務(wù)的芯片,手機(jī)主控芯片廠商在設(shè)計產(chǎn)品的時候只能在各項設(shè)計能力上做平衡。那就意味著在這些通用芯片上的ISP和NPU,在處理圖像或視頻的時候顯得捉襟見肘。

  近年來,Google在其Pixel手機(jī)上使用Pixel Visual Core/Pixel Neural Core 系列硬件加速器證明了AI算法可以提供遠(yuǎn)超傳統(tǒng)算法的拍照體驗之后,業(yè)界就開始探索NPU在降噪、HDR+和demosaic領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。而OPPO正是通過自定義的芯片來應(yīng)對這方面的挑戰(zhàn)。

  OPPO芯片產(chǎn)品高級總監(jiān)姜波也指出,通用芯片要想達(dá)成終極體驗?zāi)繕?biāo),面臨一些挑戰(zhàn):

  一方面,智能手機(jī)在定制傳感器后,有時候需要SoC做相應(yīng)的配合,但SoC研發(fā)周期非常長,傳感器需要的時間又非常短,這里面的平衡是非常難把控的;

  另一方面,如果要針對目前市面上現(xiàn)有的傳感器在SoC上做pipeline(鏈路)處理優(yōu)化增強(qiáng),也意味著需要研發(fā)要做很大的調(diào)整,成本增加不少;

  此外,當(dāng)算法和芯片不能做到相互完全開放和緊密耦合,更是無法發(fā)揮出它的最大效益。

  基于這樣的思考,OPPO發(fā)布了首款影像專用NPU——馬里亞納 MariSilicon X,這正是DSA在影像應(yīng)用上的一個教科書般的實踐。據(jù)姜波所說,這個芯片由一個自研的影像處理單元MariLumi、一個自研的AI計算單元MariNeuro以及片上內(nèi)存子系統(tǒng)等核心部分組成。得益于這樣的設(shè)計,其擁有四個不得不提的特性,分別是極致能耗比、行業(yè)領(lǐng)先的HDR、影像的AI的處理(包括影像算法的處理)都放在RAW上完成以及對定制sensor性能的最大化利用。

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  首先看極致能耗比方面。據(jù)介紹,MariSilicon X擁有18TOPS的算力,這正是DSA獨(dú)特具備的優(yōu)勢。11.6TOPS/W的能耗效率更是讓它在擁有強(qiáng)悍的處理能力的同時,功耗表現(xiàn)也不落下風(fēng)?!鞍船F(xiàn)在實際的算力情況,我們的芯片可以在800毫瓦功耗約束的范圍內(nèi)跑到40fps”,姜波舉例說。

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  其次,OPPO的MariSilicon X支持20 bit RAW,領(lǐng)先于高通最新一代旗艦驍龍8平臺的18bit和聯(lián)發(fā)科的天璣9000,其120db的HDR讓搭配MariSilicon X的手機(jī)在拍攝圖片的時候,獲得四倍于當(dāng)前旗艦的動態(tài)范圍。

  第三,在影像的AI處理方面,馬里亞納X通過將AI降噪及HDR融合等復(fù)雜計算前置到數(shù)據(jù)更加純凈無損的RAW域,在影像信噪比和畫質(zhì)上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)YUV域處理方案;

  據(jù)OPPO測試顯示,在搭配了他們自研的馬里亞納 MariSilicon X的方案中,可以獲得至少8dB的信噪比增強(qiáng),相當(dāng)于2.6倍的提升。在4k場景下,更是可以分別在圖像亮部和暗部獲得8dB和12dB增益。換而言之,自研芯片可以讓圖像暗部的信噪比做到4倍的有效提升。

  最后,來到傳感器的定制;

  OPPO定制的RGBW傳感器通過融入對光線更敏感的white像素,在保證色彩還原準(zhǔn)確的同時提升了傳感器進(jìn)光量。但在通用型SoC的賦能下,如果想要發(fā)揮這一定制傳感器的優(yōu)勢,第一步要做的就是在傳感器端將RGBW remosaic成傳統(tǒng)的RGGB信息,再傳送給SoC處理。但在這個處理過程中,會丟失一些有用的信息。而為了與通用的SoC配合,又必須要做一些妥協(xié)和損耗才可以用上RGBW。

  有見及此,OPPO選擇了自研影像專用NPU與定制傳感器配合的方法,讓其產(chǎn)生的原始RAW數(shù)據(jù)與自研芯片有最緊密的耦合和最大限度優(yōu)化。

  具體而言,在設(shè)計圖像處理pipeline的時候,馬里亞納X在提供RGGB鏈路的同時還具備white處理鏈路既能夠獲取良好的顏色信息,又能夠提升信噪比。與傳統(tǒng)RAW相比,帶來的提升是非常顯著的,這也正是DSA的意義。而按OPPO所說,借助兩路pipeline的處理,可以得到7.9倍的信噪比的提升;在紋理細(xì)節(jié)上,通過2路的超采樣,也可以獲得1.7倍的解析力的增強(qiáng)。

  “我們通過自研芯片和定制化傳感器相互的化學(xué)反應(yīng)和相互耦合,真正充分發(fā)揮出傳感器在最初設(shè)計時候的最大能力?!苯◤?qiáng)調(diào)。

  從上述的介紹我們可以看到,OPPO基于DSA的設(shè)計能夠?qū)⒁杂跋竦捏w驗發(fā)揮得淋漓盡致。而在這背后,其在芯片的定義、IP的設(shè)計和工藝的選擇等多個方面的決定都功不可沒。

  

  自研IP引領(lǐng)的全面提升

  熟悉芯片設(shè)計的讀者應(yīng)該知道,在做好了芯片的功能定義和架構(gòu)規(guī)劃之后,接下來的一個重要環(huán)節(jié)就是選擇IP。常用的方案有第三方IP和自研兩種。出于謹(jǐn)慎考慮,很多新入局芯片設(shè)計的廠商都選擇前者。但OPPO卻走了一條相對較難的路。

  在問到為何作出這個決定時,姜波回應(yīng)道,在決定研發(fā)馬里亞納 MariSilicon X之后,公司也考慮過一些第三方IP,市場上也有很多IP廠商可以提供NPU。但他們在評估之后發(fā)現(xiàn),并沒有一個現(xiàn)有NPU可以在其自身的場景和算法下,達(dá)到他們認(rèn)為的最優(yōu)能耗效率。因此他們從頭開始自研做了NPU,這就是MariNeuro IP面世背后的原因,這也讓OPPO首個自研芯片MariSilicon X擁有了強(qiáng)悍的性能。

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  除了MariNeuro之外,OPPO還自研了MariLumi IP,正是這個IP,讓OPPO的馬里亞納 MariSilicon X在圖片的HDR處理方面擁有其他手機(jī)芯片旗艦所不具備的實力。

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  為了讓設(shè)備更好地處理這些龐大數(shù)據(jù),OPPO還給這個芯片配備了片上的內(nèi)存子系統(tǒng),避免數(shù)據(jù)頻繁讀寫產(chǎn)生的時延和功耗提升。這個Tb級的子系統(tǒng)讓該芯片在處理海量數(shù)據(jù)時依舊游刃有余。這也是OPPO能夠把之前應(yīng)用于圖像的AI算法應(yīng)用于實時視頻處理的一個重要原因。

  又因為OPPO還專門為這個芯片集成了8.5GB/s的獨(dú)立DDR帶寬,因此當(dāng)MariSilicon X跟一個主芯片搭載在一起使用時,整個系統(tǒng)的DDR吞吐率又增加了17%。

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  對于一個芯片來說,架構(gòu)、處理能力和I/O是決定其性能的關(guān)鍵要素。但正如摩爾定律的含義所體現(xiàn)的,芯片的制造工藝才是決定一顆芯片性能的根本。同時,作為一個商用產(chǎn)品,該芯片同時還需要在成本上做權(quán)衡?;谏鲜隹紤],OPPO團(tuán)隊在公司的首顆芯片上選擇了6nm。

  據(jù)姜波介紹,公司在開始芯片設(shè)計的時候評估了各種工藝制程。他坦言,選擇更落后的工藝,在芯片的設(shè)計、實現(xiàn)、周期和成本都極具優(yōu)勢,但之所以選擇6nm,主要是基于他們經(jīng)過仿真之后得出結(jié)論——即便有自研的MariNeuro和MariLumi IP,但如果選擇落后的工藝(如12nm),做出來的芯片很難達(dá)到終端應(yīng)用所需的極致功耗性能要求。因此他們別無選擇。

  “從工藝制程來講,6nm應(yīng)該是臺積電第一個主流的采用EUV的制程。因為有了這個制程,我們非常好地支撐了同級最好的能效比,包括在RAW上的復(fù)雜算法處理。”姜波補(bǔ)充。他進(jìn)一步指出,OPPO的這個6nm芯片上,實現(xiàn)了一次點亮,這足以證明OPPO芯片團(tuán)隊的實力。這也讓他們成為了國內(nèi)為數(shù)不多可以實現(xiàn)6nm設(shè)計的企業(yè)。

  除此以外,筆者還認(rèn)為,OPPO的6nm芯片背后其實還有更深層次的含義:

  一方面,進(jìn)入到10nm以后,傳統(tǒng)的DUV光刻機(jī)已經(jīng)不再能夠滿足芯片繼續(xù)微縮的需求,EUV光刻機(jī)便應(yīng)運(yùn)而生。從目前的情況看來,如果想繼續(xù)打造更高性能的芯片,懂得設(shè)計使用EUV光刻機(jī)生產(chǎn)的芯片是一個必備技能,而OPPO團(tuán)隊在馬里亞納 MariSilicon X芯片的實踐上展現(xiàn)了他們在這個方面的實力,讓他們擁有底氣去探索更多的芯片可能。

  另一方面,6nm芯片的流片成本較之過往的芯片工藝成本有了大幅度的提升,每流片一次的成本可以以“億”為單位。但OPPO依然能這樣高舉高打,足以體現(xiàn)他們造芯的決心。

  姜波也強(qiáng)調(diào),和其他芯片廠商做芯片只是追求終端廠商成本和需求的平衡不一樣,OPPO造芯的目的相對純粹很多,那就是用“加法”思維去“堆料”,以提高用戶體驗為最終目的。他進(jìn)一步舉例說,當(dāng)這顆芯片與高通或聯(lián)發(fā)科主芯片一起在手機(jī)內(nèi)工作時,并不是為了取代后者的部分功能,而是希望通過增加芯片,增加算力,與它們一起把事情做得更好。

  寫在最后

  在文章開頭談到的John Hennessy 和 David Patterson的文章中說到,登納德縮放定律和摩爾定律的終結(jié),把高級、特定領(lǐng)域的語言和架構(gòu)將架構(gòu)師從專有指令集的鏈條中釋放出來,這將為計算機(jī)架構(gòu)師帶來一個新的黃金時代。他們同時還指出,未來十年,將會有一場新計算機(jī)架構(gòu)的寒武紀(jì)爆炸,這對業(yè)界和學(xué)界的架構(gòu)師們來說將是激動人心的時刻。

  對于OPPO來說,這也是他們的一個機(jī)會。

  正如姜波所說,MariSilicon X只是OPPO在計算影像上探索的第一步。因為OPPO離消費(fèi)者比較近,會對用戶痛點以及產(chǎn)品的價值主張比較清晰,所以O(shè)PPO在做一些方向選擇的時候,也更容易做決策。而這正是DSA的精髓所在。

  從日前的一些媒體報道中我們看到,OPPO現(xiàn)在擁有了一個超過2000人的芯片團(tuán)隊。通過OPPO對MariSilicon X的解讀,筆者有理由相信這家國產(chǎn)手機(jī)芯片“新貴”迎來的,不僅僅是黃金十年。讓我們靜候一個更好體驗的時代到來。

 

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