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OPPO第二颗自研芯片:表面与背后的两层逻辑

2022/12/23
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阅读需 17 分钟
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一周前,OPPO召开了未来科技大会。会上最重磅的发布,就是发布了他们的第二代自研芯片:马里亚纳MariSilicon Y。去年OPPO发布第一代自研芯片的时候,我就做过深入解读,当时他们做的是一颗影像专用NPU芯片。这个芯片做的很成功,性能指标不错、战略意义也很大,所以很多人其实都非常期待今年的第二代芯片的发布,大家也在猜想,这次OPPO会不会进军手机处理器芯片。

不过出乎很多人意料的是,这一代芯片竟然只是一个放在耳机里的、看起来貌似「平平无奇」的蓝牙音频芯片

事实上,大会之前我也和OPPO的芯片团队做过深入交流,他们也非常坦诚和明确的表示,如果单从商业角度来看,做这颗芯片的投入产出肯定是不划算的。我翻译一下,就是做这颗芯片是赔钱的,毕竟市面上并不缺少蓝牙和音频芯片的解决方案。

那么问题就来了,一个智能手机里有大大小小几十颗芯片,OPPO到底是基于怎样的考虑,放着手机里大量的核心芯片不做,而要花大力气去做一个放在耳机里的小小芯片呢?

OPPO肯定没疯,这次选择做蓝牙音频芯片也并不是随意的选择,而是基于两个主要原因。从表面上看,音乐和音频一直是智能手机这些移动终端用户的核心需求,计算音频也成为未来发展比较确定的趋势。OPPO这颗马里亚纳Y芯片,也是从用户需求出发的理智选择。

但更重要的是,我深挖了一下OPPO造芯的过程,再结合前一颗芯片的产生和定位,其实就能发现,这颗芯片是OPPO构建完整芯片设计能力的关键试验,有点醉翁之意不在酒的那个味儿了。

接下来,我们就来深入分析一下OPPO第二颗自研芯片背后的本质逻辑。

OPPO造芯回顾

为了理解OPPO为什么要做这颗蓝牙音频芯片,我们需要首先来回顾一下他们的造芯历程。去年我们深入解读过,OPPO的第一颗自研芯片叫马里亚纳MariSilicon X。总结一下,它是一个智能影像芯片,集成了图形图像处理器ISPAI加速器NPU,采用了6纳米工艺制造,AI峰值算力能达到每秒18万亿次。不管你能不能看懂,都可以理解成这颗芯片性能很高,实际应用在手机里进行双芯拍摄,对影像效果也有立竿见影的提升。

关键是这颗芯片的名字取得很妙,马里亚纳海沟是世界上水最深的地方。当时我们就说过,自研芯片的水很深,一般人把握不住。但OPPO直接用马里亚纳来命名,内涵非常丰富,说明他们明知水很深,却非要蹚一蹚。当时他们在发布里也说,其实很清楚自研芯片的难度,往前走的每一步都很有挑战。

从2019年起,OPPO要做自研芯片当时在业界几乎是人尽皆知,已经是公开的秘密了,OPPO也组建起了规模庞大的芯片团队,甚至还传出给应届生开出了超过40w的总包待遇,当时还一度冲上了热搜。面对这种热度,人们也肯定在期待OPPO的第一颗芯片,会不会是手机里最关键的处理器芯片。但出人意料的是,OPPO选择了比较「偏门」的影像NPU芯片。原因很简单,影像是他们的用户最关心的关键需求,也是最能直观提升影像体验的方案。

一颗好的影像芯片,不仅能给用户带来优秀的拍摄体验,还能给处理器减负,从而让系统变的更加流畅,实现了DSA也就是领域专用的专心专用的理念。所以OPPO的这个双芯策略一经推出就获得成功。

一年过去了,OPPO发布的第二颗自研芯片同样出乎很多人的意料,至少我在得知他们做的是蓝牙音频芯片的时候,心里是有很多问号的。

音频芯片:为需求而生

前面说过,OPPO自研蓝牙音频芯片有两层原因,我们先说第一层,那就是为了用户的需求。作为音频来说,它一直都是智能手机甚至是手机的核心功能。十几年前我上大学的时候,有一个索爱的音乐手机是很多人的梦想。就算是现在视频影像、游戏等其他功能纷纷成为智能手机的核心应用,但音频仍然是这些应用的重要组成。有话说的好:没声音,再好的戏也出不来

当然了,音频和音乐本身也在不断进化。Luminate 2022年上半年报告显示,全球流媒体音乐同比增长了24.7%,视频流媒体播放增长28.1%。QuestMobile 2022上半年报告也有数据表明,中国移动音乐用户规模已达到庞大的7.06亿。

如此庞大的用户基数,必然产生大量的需求,并由此不断推动在线音乐平台曲库数量持续增长。国内两大音乐app网易云音乐和腾讯音乐,在2021年一季度的曲库数量是5500万,而2021年底就增长到1.4亿,增幅达到150%以上。

随着音频市场的增长,蓝牙耳机也已经成为很多人的刚需和标配。而TWS耳机,也就是真无线立体声耳机,也称为最近几年终端市场增长的爆发点。

不过和几年前的无线耳机相比,现在的TWS耳机早就不是只用来听个响了。人们也越来越追求高保真和无损音质。根据《2022音频产品使用现状调研报告》显示,超过58%的受访者表示希望获得高解析度或无损音质。61%的消费者希望获得比MP3更好的音质,包括CD音质(44.1KHz/16bit)、高解析音质(高于96KHz/24bit)、无损音质。此外,有66%消费者认为无损音质会决定他们是否购买设备。

有需求,就有供给。越来越多的曲库和在线音乐平台都在加速升级曲库质量,比如我全球最大的流媒体音乐平台Spotify,已经宣布即将推出Spotify HiFi服务,提供高品质无损音乐;Apple Music目前也有超过7500万首无损音频;国内腾讯音乐旗下的QQ音乐、酷狗、酷我音乐,也提供了Hi-Res高解析音频和无损压缩音频;网易云音乐也在2022年正式上线Hi-Res专区。

说了这么多,其实就是想说一件事,那就是无损音频已经从小众发烧友体验,慢慢走向了大众化。只要你的耳机和播放设备能支持,平台早就提供了这些无损音频了。

除了前面说的两点,智能音频和计算音频也在最近几年迅猛发展。最典型的有两个应用:主动降噪和空间音频。当我第一次戴上大法的降噪耳机的时候,感觉世界都清净了,特别是对于经常通勤和出差的人来说,降噪绝对是回不去的体验。而最近几年,主动降噪变的更加智能化,比如用户可以根据自己所处的环境,选择完全隔离还是开放通透、还是只能听见人声等等。

当然,空间音频也很香,比如我日常使用的AirPods Pro就一直开启空间音频,特别是听书听播客这些语言类内容的时候,空间音频可以创造一种交互感,让你感觉讲述内容的人就站在某个方向。

目前,计算音频已经步入了新的发展阶段,那就是更加个性化、定制化。比如新一代的空间音频可以根据用户的头型和耳朵的形状,去定制相关的模型,获得最符合个人的听感。除此之外,包括自然语言处理在内的先进AI技术、环境感知技术等等,都在融入计算音频领域,目的就是帮助用户获得更加个性化的体验。之前视频里也说过很多次,这种量体裁衣式的进化,也是很多技术的未来发展趋势。

那么话说回来,为了支持这些越来越复杂的算法和软件,必然需要更强的算力和硬件,而这些的核心,就是芯片。比如苹果的H系列芯片,以及OPPO这次做的马里亚纳Y,都是基于这样的考虑。

从技术的角度来看,这颗马里亚纳Y芯片主要有两个独特之处,分别是蓝牙传输速率、以及集成了NPU的AI算力。我们一个一个来看。

用蓝牙耳机听无损音频,要解决的第一个问题就是传输。无损音频有好几种编码格式,但他们的理论速率最小也要2.25Mbps,最高要达到9Mbps。即使能进行压缩,也超过了现在蓝牙的传输速率了。

这样就尴尬了,虽然平台提供了无损音源,但需要用有线耳机才能听,蓝牙耳机还是只能听个响。

为了解决这个问题,马里亚纳Y超高速蓝牙集成了12Mbps蓝牙速率,达到标准蓝牙的4倍,可以覆盖目前最高规格的192kHz采样率、24位采样位深。

不仅速率提升了,OPPO还提供了URLC私有无损编解码技术,它能将无损压缩率提升到50%。也就是说,可以通过压缩,把所需要的传输速率再砍一半。有了超高蓝牙速率和URLC编解码,就从根本上解决了数据通信的瓶颈。

第二,马里亚纳Y集成了NPU、也就是神经网络处理单元,算力达到590 GOPS。这就让计算音频的大量AI计算过程都能在耳机里完成,同时也能降低数据在耳机和手机之间传输的延时,获得更加实时的声音效果。

有了NPU,就相当于打开了算力的大门,让很多想法都能实现了,比如这次发布提到的声音分离技术就是这样。这个技术能把音频里的声音分离开,比如把一段音乐分成人声、鼓声、贝斯、还有其他声音,然后可以分别调整各个音轨的空间位置、大小、音效,就像你站在乐队中间一样。

还有一个功能是万能全景声,可以把普通音频进行音轨识别和分离,从而实时转化成立体声、环绕声或者全景声,提供不同的具有沉浸感的体验。而这样一来,也不用再考虑杜比全景声的文件格式了,基本上每一首歌都能通过NPU进行全景声计算,从而创造空间感。

马里亚纳Y:深层逻辑

前面说的是OPPO自研马里亚纳Y芯片的第一层原因,但正如我和OPPO芯片团队交流的时候说的,用关键技术解决关键问题,这个没毛病,而且这些技术和优势都非常有用,这个也没毛病,但他们两颗自研芯片似乎不计成本去造芯,而且投入产出似乎并不成比例。

这其实就是我们要说的第二层、也是更本质的原因,那就是马里亚纳Y这颗芯片其实是OPPO造芯过程中的非常重要的尝试,那就是一方面整合完整SoC设计能力,一方面整合对先进工艺的理解和掌握,分别来说。

首先,这颗芯片是一个片上系统SoC芯片,这个和第一代有本质区别。之前我们解读过,前一代马里亚纳X是个领域专用芯片,更多是扮演协处理器的角色,必须配合主芯片,也就是手机处理器,才能正常工作。

但这次的马里亚纳Y,是一个完整架构的SoC,也就是说它可以独立工作,不仅有蓝牙和音频功能,还有外设接口、存储计算通信等等完整的功能,里面也包含了一个小型的处理器。我们常说麻雀虽小五脏俱全,通过跑通这颗芯片的完整设计流程,让OPPO的芯片设计团队掌握了设计更加完整架构芯片的关键要素,该踩的坑都踩了,该蹚的水都蹚了;我们常说的know how,也就是一些经验和技术积累也都完成了。这对于OPPO下一步进军更加有挑战的芯片,是非常有用的锻炼和实验。

第二,可能很多人没注意到,这次OPPO使用的是台积电的N6RF工艺,也就是6纳米的射频工艺。为什么说这个这么重要呢,因为射频技术一直芯片技术里最具挑战的领域之一。我当年上学的时候,就是因为射频太难了,才学的数字芯片设计。它之所以难,就是因为射频芯片在很多地方都非常依赖经验和积累,这个领域的工程师都是越老越吃香。射频领域存在很多不确定性,各种参数的调节非常玄学,靠经验才能判断调试的方向。调对了就对了,调不对、或者不知道怎么调,可能要花大量时间去试错、交学费。所以对于很多芯片大厂来说,射频都是不碰的。

而且,N6RF是目前业界最先进的射频工艺,全球范围内也只有苹果的H2芯片、S8芯片里的GPS模块、以及马里亚纳Y芯片成功使用了这个工艺。把6纳米工艺整合到设计流程里,本身就是很有挑战的事情。所以马里亚纳Y对于OPPO的芯片设计团队来说意义重大,代表OPPO掌握了先进工艺制程。吃透一个工艺,意味着翻过一座大山,在这个过程中积累下来的经验,特别是无线连接和射频这些关键技术,都可以直接用在接下来芯片的设计中。

和OPPO的芯片团队交流下来,我有一个非常强烈的感受,就是他们是坚定的长期主义者。他们并没有一上来就高喊口号、或者一上来就挑战最高的高峰,而是根据用户需求和自己的产品线、结合自身的技术特点和能力、尊重事务的客观发展规律,然后针对性的做研发选择、做长远的布局,并且把握住自己的节奏,不幻想弯道超车。这些是长期主义的典型体现

芯片和软硬件的开发有很多种模型,其中有一个冰川模型。它非常形象,大家能看到海平面上露出来的冰山一角,这个就是实际产出的产品。但其实把这一角推出来的,是海平面下很大的冰山主体,这些才是一个芯片团队的核心与基础能力。通过OPPO这两年的芯片发布,也不难看到,除了冰山上的两颗芯片,他们真正在做的,是不断构建水面下的部分,也就是更大更扎实的底层能力。

人们经常说一句话,叫做「要坚持做长期而正确的事情」。但事实上,很多时候我们并不知道某件事情是否正确,只有做完回头来看才能知道。从OPPO的造芯过程能看到,他们在做的其实是「长期而困难的事情」,因为如果一件事情既需要长期投入、又非常难,那就大概率是正确的。这个精神,其实也适用于我们每个人。也希望我们的每一位读者,能找到一个足够困难的事情,然后长期做下去,相信肯定会有收获。

(注:本文不代表老石任职单位的观点。)

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OPPO 作为至美科技的探索者及引领者,致力于打造万物互融时代的多智能终端及服务,为人们创造美好生活。

OPPO 作为至美科技的探索者及引领者,致力于打造万物互融时代的多智能终端及服务,为人们创造美好生活。收起

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微信公众号“老石谈芯”主理人,博士毕业于伦敦帝国理工大学电子工程系,现任某知名半导体公司高级FPGA研发工程师,从事基于FPGA的数据中心网络加速、网络功能虚拟化、高速有线网络通信等领域的研发和创新工作。曾经针对FPGA、高性能与可重构计算等技术在学术界顶级会议和期刊上发表过多篇研究论文。