马里亚纳海沟,位于西北太平洋,深11034米,是地球上水最深的地方。

 

2021年2月16日,网上传出了一篇来自OPPO的内部文章,第一次让OPPO的造芯计划浮出水面,代号为马里亚纳计划。

 

10个月后,OPPO正式发布了马里亚纳计划的第一款芯片,名为马里亚纳 MariSilicon X。这也是OPPO自研的第一颗影像专用NPU芯片。

 

 

看到这一系列新闻,我不仅对OPPO的这颗芯片感兴趣,我更觉得他的命名方式很妙。你明知道这是世界上最深的水, 不仅还要去蹚,而且还真的蹚出了点东西。

 

所以今天这篇文章,我们不仅要来看看OPPO这次发布的NPU芯片,更要来一起看一下OPPO造芯背后的本质逻辑和动机。也就是OPPO为什么要造芯片、造了什么芯片,它究竟是什么水平。另外还有特别重要的,就是这颗芯片、以及OPPO造芯这件事情,对OPPO自己、以及整个行业来说,究竟有哪些意义和影响。

 

OPPO自研芯片:公开的秘密

 

事实上,从今年年初开始,就陆续传出了OPPO造芯的消息。除了前面说的内部信之外,OPPO在之前就已经开始大规模招聘芯片人才了,甚至还传出给应届生开出了超过40万的总包待遇,这也一度冲上了热搜。所以OPPO造芯早就是公开的秘密了。

 

我觉得有必要给大家说明的一点,就是自研芯片这件事情可能听起来非常高精尖、难度极大,但是其实不一定,也要分情况讨论。

 

对于一个手机厂商,它获取芯片的途径主要有三种形式。最直接的就是买买买,也就是买高通联发科这些厂商设计好的芯片、参考设计或者系统方案一步到位,这个也是绝大部分整机厂商采用的方法。

 

如果用前面说的蹚水的例子,这样就像你站在沙滩上,根本不用下水,更不用花钱去学游泳或者买救生圈。当然如果一切风平浪静波澜不惊,这样做也无可非议。

 

但是如果事情起了变化,比如水位上涨,或者一个大浪打过来,想要不湿鞋是很难的。造芯片也是这样,很多公司都发现买芯片有很多这样那样的限制。很典型的例子就是,每个厂商都有自己独特的需求,比如有人希望摄影效果更好,有人希望联网更快,有人希望游戏性能更好等等。这样去买统一的参考设计或者相同的芯片,就很难有效的满足不同厂商的不同需求了,这也是像OPPO这样的公司开始自研芯片的本质逻辑之一。

 

当然了,造芯也有很多种方式。特别是现在芯片行业的分工非常细,不仅有卖完整芯片的,还有卖芯片IP的,也就是芯片里的一个个组成模块。我们可以从不同公司买合适的IP,比如专门负责通信的、专门做图像处理的,然后把它们攒在一起、组成一个完整的芯片。

 

比如我们想吃西红柿炒鸡蛋,但是不一定非要在一个超市把西红柿、鸡蛋、油盐糖都买齐了,我们可以去不同的超市买,或者直接用家里剩下的料,只买家里没有的东西,然后炒一下就行了。不过每个人炒的方法、火候、食材的配比都不一样,所以一样的料会做出来很不一样的菜。这和造芯片也是一样的。

 

这种“攒芯片”的方法,是很多公司在开始自研芯片的时候都会走的路,而且这是一条相对来说比较平衡的路。我们既不需要从头开始研发所有事情,从而能在很大程度上控制投入和风险,另外也可以根据实际需求,在最短时间内做出适合自己的芯片。再用前面蹚水的例子,这种方式就已经从岸上走进水里了,只不过先在浅水区里练习一下游泳,也还是相对安全的。

 

渐渐的人们又发现,和买芯片一样,买IP也并不能完全解决所有的事情,毕竟很少有IP公司是专门针对某个厂商的某个具体应用或算法来开发一个IP。所以,就有一些公司决定再往前走一步,也就是自研IP与系统。

 

这就像一个人的游泳技术再强,也不可能下潜到马里亚纳海沟底部一样,这件事情需要专门的技术、专门的团队,专门围绕这件事情本身去制定方案,并且不断迭代优化。为了研究到深水区、并且掌握这些深水区的技术,势必需要大量的人力物力投入、以及大量时间和经验的积累。不过对于那些对产品和技术有着极致追求的公司来说,这最后一种造芯方式几乎是必然选择。

 

OPPO自研什么芯片?

 

如果说OPPO造芯早就是公开的秘密,那么OPPO究竟造的是什么芯,一直以来却并不为大多数人所知。

 

有很多报道说OPPO造的是ISP,也就是专门用来做图像信号处理的芯片。从芯片的本质来看,ISP是一种专用芯片,这和我们之前介绍过很多次的CPU不一样。CPU是通用芯片,几乎可以做任何事情,不过不一定擅长所有事情。而ISP就是专门针对图形图像应用进行优化的芯片,这样不管是支持的功能、还是性能、功耗,都要远远超过通用芯片。

 

不过从这次的发布来看,OPPO的这款马里亚纳 MariSilicon X芯片并不是单纯的ISP,而是一个ISP+AI加速器的NPU。在说这个NPU的具体技术细节之前,我觉得有必要从架构的层面先和大家一起梳理一下这次发布一直在强调的DSA。

 

 

DSA全名是领域专用架构,说人话就是针对某个特定应用领域进行设计和优化的专用芯片架构。DSA特别值得大家留意,我之前也介绍过很多次,因为它是现代芯片设计的一个非常主流的趋势。

 

那么为什么需要这种领域专用架构呢?从本质上看,DSA是芯片架构师和芯片工程师思维方式的重要转变。传统的芯片设计和使用遵循着一种自上而下的模式,这有点类似于软件开发里的瀑布模型,也就是芯片公司提供现成的芯片,然后芯片的使用者再开发各种软件去做适配。

 

这样的模式就有很多问题,最主要的就是芯片设计和使用这两个环节的脱钩。芯片的设计者不知道使用者具体要用在什么地方,也不知道使用者的具体需求,只能尽量设计通用性强的结构,而这样势必会牺牲芯片在具体应用场景里的性能、功耗和面积。

 

另一方面,芯片的使用者也不知道芯片具体的设计细节,也只能根据有限的文档资料去使用芯片,这样也势必很难充分发挥芯片的最大能力,使用体验非常糟糕。

 

所以现在的芯片设计就开始慢慢流行起DSA。它的本质思路其实很简单,就是根据实际的具体需求,去指定芯片的设计方案,然后确定架构、微架构、编程方法、软硬件系统等等一系列内容。

 

马里亚纳 MariSilicon X

 

拿OPPO这次发布的马里亚纳 MariSilicon X芯片举例,它的专用性主要体现在AI和影像领域。也就是通过分析各种影像专用的AI算法,找到它们中间共同、或者类似的算子和模块,然后把这些模块通过硬件实现在芯片上。

 

这样当AI算法用到这些算子的时候,就可以直接调用硬件单元,从而大幅提升算法执行的算力性能,并且大幅降低功耗,两者结合,从而取得极致的能效比,这对于手机这样电池供电的移动设备至关重要。

 

 

在芯片的迭代过程中,使用领域专用架构的芯片可以让硬件架构和软件算法同步更新,这就从根本上解决了前面说的瀑布模型里设计和使用脱节的问题。

 

特别值得注意的是,马里亚纳 MariSilicon X芯片并不是单纯的图像处理器ISP、也不是单纯的AI加速器,而是二者的结合体,这样的好处就是能结合二者的优点,并且实现从需求到算法、再到芯片传感器以及软硬件功能的完整定制。

 

再来看看马里亚纳 MariSilicon X芯片的其他主要技术特点。首先,它采用了台积电6纳米工艺进行制造。在研究任何芯片的时候,我都会关注它的制造工艺。但我们不应该过度解读。就好像你做西红柿鸡蛋的时候,并不会先去养鸡等它下单,更不可能先往地理播种西红柿。当然有条件的话我可以自己养鸡种菜,但没条件的话,专注于制作这道菜本身,也是非常有意义的事情。

 

再回到芯片的具体性能,在AI性能方面,由于采用了领域专用架构,芯片的AI int8峰值算力达到每秒18万亿次。特别是在影像领域,这样的AI算力可以支持4k30帧的HDR智慧夜景视频,并且达到20位UltraHDR的超高动态范围,也就是说,图像最亮的部分比最暗的部分要高100万倍,但仍然能保持影像细节。当然这只是一个例子,但这就很好的说明了像这样的需求和提升,也只有自研芯片、并且真正的掌握深水区的技术,才能应对。

 

说到影像,这个其实也是OPPO造芯的大背景和大原则。除了前面说的4K AI智慧夜景视频之外,MariSilicon X芯片还支持无损RAW计算。

 

传统的图形图像的处理链路大致可以分成RAW、RGB和YUV三个域,原先大部分ISP处理都在YUV域,但这个时候的图像已经是经过压缩和处理的内容,可能已经损失了很大部分的信息。但通过这颗芯片的算力加持,就可以直接在RAW域对原生无损内容进行处理,从而提供更高的AI计算灵活性。根据OPPO的数据,马里亚纳 MariSilicon X芯片可以对最高93.75%的信息折损进行补偿和还原,从而实现等效大底的感光能力。

 

 

OPPO还官宣,在明年第一季度的下一代OPPO Find旗舰系列手机里,将会首发搭载这款马里亚纳 MariSilicon X芯片。

 

OPPO自研芯片的意义

 

说了这么多造芯的意义和性能指标,我最后其实还想再多说几句那些造芯背后的事情,特别是那些我们普通人可能看不到的意义和成就。

 

对于造芯片,可能大家听到的都是成功的案例,比如通过某款芯片一举实现弯道超车这样的励志故事。但事实或许远比这些故事来得残酷。

 

我们都学过两个物理原理:水越深,水里的压力就越大,而且由于阳光照不到这么深的水里,周围就会越来越黑,想要继续下潜就只能靠自己不断摸索。这两件事就是在造芯过程中、特别是研发深水区技术的过程中,会经常遇到的。

 

事实上,很多公司投入大量人力物力,但最终也没能做出一个好芯片。越是高端制程工艺,制造投入就越大。对于6纳米工艺,芯片单次的流片费用就高达一亿人民币。也就是说,如果流片回来的芯片没有达到预期功能或者性能指标,这一个小目标就打水漂了,所以这其中的压力和风险可想而知。

 

不过对于公司自身的发展来说,造芯的意义远远不只在于芯片本身,更重要的是,这个过程会给公司带来大量的技术储备、培养一批一批的优秀从业者和人才。他们在做项目过程中踩的坑、解决的问题、建立的流程、总结的方法等等,这些其实都是支持一个公司长久发展最宝贵的财富。

 

从发现马里亚纳海沟,到第一次下潜到海沟底部,人们花了85年。虽然现在造芯不需要这么久,但肯定不是一蹴而就的,肯定需要长年累月的积累。所以对于我们普通人来说,我们最应该做的,就是对那些真正追求技术进步和提升的公司和人,给予更多的包容和支持。