2019 年 2 月，圖靈獎(jiǎng)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?cè)谖恼轮薪榻B，所謂DSA（domain specific architecture，特定領(lǐng)域架構(gòu)）是一種針對(duì)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(shí)現(xiàn)更好的性能。如現(xiàn)在因?yàn)锳I大行其道的GPU就是一個(gè)基于DSA思路設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。包括谷歌、Tesla和Cerebras在內(nèi)的廠商也針對(duì)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(lái)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(gè)芯片，我們不但看到了這個(gè)手機(jī)巨頭在提升用戶體驗(yàn)方面的“芯”思考，也看到了屬于DSA的又一場(chǎng)勝利。
DSA在影像NPU上的實(shí)踐
自蘋果在2007年推出第一代iPhone以來(lái)，智能手機(jī)在接下來(lái)十年經(jīng)歷了夢(mèng)幻般的開局。不但芯片性能獲得了大幅度的增長(zhǎng)，屏幕的體驗(yàn)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(yàn)，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(gè)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(jì)產(chǎn)品的時(shí)候只能在各項(xiàng)設(shè)計(jì)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(shí)候顯得捉襟見肘。
近年來(lái)，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(yàn)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(shì)。而OPPO正是通過自定義的芯片來(lái)應(yīng)對(duì)這方面的挑戰(zhàn)。
OPPO芯片產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān)姜波也指出，通用芯片要想達(dá)成終極體驗(yàn)?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(shí)候需要SoC做相應(yīng)的配合，但SoC研發(fā)周期非常長(zhǎng)，傳感器需要的時(shí)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(duì)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(wú)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(gè)教科書般的實(shí)踐。據(jù)姜波所說(shuō)，這個(gè)芯片由一個(gè)自研的影像處理單元MariLumi、一個(gè)自研的AI計(jì)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(jì)，其擁有四個(gè)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(duì)定制sensor性能的最大化利用。
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(shì)。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(shí)，功耗表現(xiàn)也不落下風(fēng)。“按現(xiàn)在實(shí)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(shuō)。
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(tái)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(shí)候，獲得四倍于當(dāng)前旗艦的動(dòng)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(jì)算前置到數(shù)據(jù)更加純凈無(wú)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(cè)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(chǎng)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(lái)到傳感器的定制；
OPPO定制的RGBW傳感器通過融入對(duì)光線更敏感的white像素，在保證色彩還原準(zhǔn)確的同時(shí)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(shì)，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(gè)處理過程中，會(huì)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(jì)圖像處理pipeline的時(shí)候，馬里亞納X在提供RGGB鏈路的同時(shí)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(lái)的提升是非常顯著的，這也正是DSA的意義。而按OPPO所說(shuō)，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(jì)時(shí)候的最大能力。”姜波強(qiáng)調(diào)。
從上述的介紹我們可以看到，OPPO基于DSA的設(shè)計(jì)能夠?qū)⒁杂跋竦捏w驗(yàn)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(jì)和工藝的選擇等多個(gè)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(jì)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(lái)的一個(gè)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(jì)的廠商都選擇前者。但OPPO卻走了一條相對(duì)較難的路。
在問到為何作出這個(gè)決定時(shí)，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(chǎng)上也有很多IP廠商可以提供NPU。但他們?cè)谠u(píng)估之后發(fā)現(xiàn)，并沒有一個(gè)現(xiàn)有NPU可以在其自身的場(chǎng)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(gè)自研芯片MariSilicon X擁有了強(qiáng)悍的性能。
除了MariNeuro之外，OPPO還自研了MariLumi IP，正是這個(gè)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(shí)力。
為了讓設(shè)備更好地處理這些龐大數(shù)據(jù)，OPPO還給這個(gè)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(shí)延和功耗提升。這個(gè)Tb級(jí)的子系統(tǒng)讓該芯片在處理海量數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)時(shí)視頻處理的一個(gè)重要原因。
又因?yàn)镺PPO還專門為這個(gè)芯片集成了8.5GB/s的獨(dú)立DDR帶寬，因此當(dāng)MariSilicon X跟一個(gè)主芯片搭載在一起使用時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的DDR吞吐率又增加了17%。
對(duì)于一個(gè)芯片來(lái)說(shuō)，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(shí)，作為一個(gè)商用產(chǎn)品，該芯片同時(shí)還需要在成本上做權(quán)衡。基于上述考慮，OPPO團(tuán)隊(duì)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(jì)的時(shí)候評(píng)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(jì)、實(shí)現(xiàn)、周期和成本都極具優(yōu)勢(shì)，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(lái)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(wú)選擇。
“從工藝制程來(lái)講，6nm應(yīng)該是臺(tái)積電第一個(gè)主流的采用EUV的制程。因?yàn)橛辛诉@個(gè)制程，我們非常好地支撐了同級(jí)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(gè)6nm芯片上，實(shí)現(xiàn)了一次點(diǎn)亮，這足以證明OPPO芯片團(tuán)隊(duì)的實(shí)力。這也讓他們成為了國(guó)內(nèi)為數(shù)不多可以實(shí)現(xiàn)6nm設(shè)計(jì)的企業(yè)。
除此以外，筆者還認(rèn)為，OPPO的6nm芯片背后其實(shí)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(lái)，如果想繼續(xù)打造更高性能的芯片，懂得設(shè)計(jì)使用EUV光刻機(jī)生產(chǎn)的芯片是一個(gè)必備技能，而OPPO團(tuán)隊(duì)在馬里亞納 MariSilicon X芯片的實(shí)踐上展現(xiàn)了他們?cè)谶@個(gè)方面的實(shí)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?cè)煨镜臎Q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(duì)純粹很多，那就是用“加法”思維去“堆料”，以提高用戶體驗(yàn)為最終目的。他進(jìn)一步舉例說(shuō)，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(shí)，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(shuō)到，登納德縮放定律和摩爾定律的終結(jié)，把高級(jí)、特定領(lǐng)域的語(yǔ)言和架構(gòu)將架構(gòu)師從專有指令集的鏈條中釋放出來(lái)，這將為計(jì)算機(jī)架構(gòu)師帶來(lái)一個(gè)新的黃金時(shí)代。他們同時(shí)還指出，未來(lái)十年，將會(huì)有一場(chǎng)新計(jì)算機(jī)架構(gòu)的寒武紀(jì)爆炸，這對(duì)業(yè)界和學(xué)界的架構(gòu)師們來(lái)說(shuō)將是激動(dòng)人心的時(shí)刻。
對(duì)于OPPO來(lái)說(shuō)，這也是他們的一個(gè)機(jī)會(huì)。
正如姜波所說(shuō)，MariSilicon X只是OPPO在計(jì)算影像上探索的第一步。因?yàn)镺PPO離消費(fèi)者比較近，會(huì)對(duì)用戶痛點(diǎn)以及產(chǎn)品的價(jià)值主張比較清晰，所以O(shè)PPO在做一些方向選擇的時(shí)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(bào)道中我們看到，OPPO現(xiàn)在擁有了一個(gè)超過2000人的芯片團(tuán)隊(duì)。通過OPPO對(duì)MariSilicon X的解讀，筆者有理由相信這家國(guó)產(chǎn)手機(jī)芯片“新貴”迎來(lái)的，不僅僅是黃金十年。讓我們靜候一個(gè)更好體驗(yàn)的時(shí)代到來(lái)。