關(guān)于蘋(píng)果芯片的發(fā)展路徑分析和介紹

蘋(píng)果于近日召開(kāi)了手機(jī)和手表發(fā)布會(huì)。按照蘋(píng)果“一年新品，一年改良”的作風(fēng)，在繼去年發(fā)布了引領(lǐng)風(fēng)潮的iPhone X后，今年蘋(píng)果在發(fā)布會(huì)上發(fā)布的產(chǎn)品主要是去年的改良版本。雖然并沒(méi)有太多驚喜，但是我們?nèi)匀荒芸吹教O(píng)果產(chǎn)品背后的邏輯，并預(yù)測(cè)相關(guān)芯片技術(shù)的發(fā)展路徑。

傳感器加時(shí)尚——蘋(píng)果可穿戴設(shè)備的核心壁壘

發(fā)布會(huì)上首先發(fā)布了Apple Watch 4。不得不說(shuō)，Apple Watch系列是可穿戴設(shè)備中時(shí)尚感最強(qiáng)的，外觀設(shè)計(jì)非常得體，從而能夠走進(jìn)大眾而不僅僅是極客的玩具。

在這次發(fā)布的Apple Watch 4中，除了處理器更新?lián)Q代計(jì)算能力加強(qiáng)之外，最主要的設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)自于傳感器的使用。首先，Apple Watch 4中使用了下一代加速度傳感器，將加速器傳感的動(dòng)態(tài)范圍提高到了原來(lái)的兩倍，最高加速度可以測(cè)到32g，此外，采樣速度也提升到了原來(lái)的8倍。采用加強(qiáng)版的加速度傳感器，Apple Watch 4能夠檢測(cè)到人摔倒的動(dòng)作，一旦檢測(cè)到摔倒將會(huì)提示撥打急救電話。

除了升級(jí)的加速度傳感器之外，Apple Watch 4另一個(gè)亮點(diǎn)是心電圖ECG傳感器。在上一代手表中已經(jīng)包含了使用LED做心率傳感器，而在Apple Watch 4中則更是加入了ECG，從而能幫助檢測(cè)心臟房顫。Apple Watch 4的ECG功能實(shí)現(xiàn)是由表盤(pán)底部和表冠上的兩個(gè)電極實(shí)現(xiàn)的。在測(cè)量ECG時(shí)一個(gè)電極自然貼近手腕，而另一只手的手指放在表冠上持續(xù)30秒，在這30秒內(nèi)ECG傳感器電極會(huì)發(fā)射微電流并檢測(cè)返回信號(hào)，從而完成ECG的測(cè)量，并把ECG測(cè)量結(jié)果儲(chǔ)存到Health App中，方便健康管理。值得一提的是，Apple Watch的ECG功能已經(jīng)通過(guò)了FDA認(rèn)證，因此其測(cè)量結(jié)果可以作為醫(yī)生診斷的輔助依據(jù)。

Apple Watch 4中的傳感器目前主要還是針對(duì)熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)的人群，加速度傳感器可以在運(yùn)動(dòng)摔倒時(shí)及時(shí)報(bào)警避免二次受傷，而ECG則可以在運(yùn)動(dòng)中感覺(jué)不適時(shí)及時(shí)診斷。在未來(lái)的人體傳感器中，最重要的一個(gè)特點(diǎn)就是能實(shí)現(xiàn)持續(xù)測(cè)量并獲得連續(xù)信號(hào)，這也將是未來(lái)精確化醫(yī)療的重要條件。

在發(fā)布會(huì)上，蘋(píng)果請(qǐng)到了美國(guó)心臟協(xié)會(huì)的主席Ivor Benjamin醫(yī)生，Benjamin醫(yī)生表示目前許多病人的心臟病信號(hào)往往并不發(fā)生在就診時(shí)，從而為心臟病的診斷帶來(lái)了困難。蘋(píng)果的ECG測(cè)量功能則可以看作是人體生理信號(hào)持續(xù)測(cè)量的雛形，至少可以在任何時(shí)刻用戶都可以主動(dòng)開(kāi)啟測(cè)量過(guò)程而無(wú)需去醫(yī)院并將ECG數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，從而能夠幫助醫(yī)生診斷。

Apple Watch 4的傳感器功能是否真正實(shí)用還有待觀察，但是這也是蘋(píng)果強(qiáng)化Apple Watch中傳感器成分的重要舉措。要知道之前Apple Watch的定位是一個(gè)時(shí)尚手表搭配個(gè)人助手，能完成簡(jiǎn)單的通話、短信等輔助功能，傳感器并非其最大的賣(mài)點(diǎn)。但是隨著其他公司的可穿戴設(shè)備逐漸跟上，Apple Watch必須樹(shù)立起除了設(shè)計(jì)精美之外的其他競(jìng)爭(zhēng)壁壘，而傳感器看來(lái)就是蘋(píng)果的嘗試方向，而且我們可望在未來(lái)看到蘋(píng)果把傳感器的針對(duì)人群從運(yùn)動(dòng)人群推廣到更多的普羅大眾，讓更多人能享受傳感器帶來(lái)的便利。在Apple Watch 4發(fā)布之后，預(yù)計(jì)我們也會(huì)看到市面上出現(xiàn)許多跟隨者發(fā)布擁有類(lèi)似傳感功能的便攜式設(shè)備，這樣我們的數(shù)字化健康管理時(shí)代可望將會(huì)在技術(shù)逐漸成熟后真正來(lái)臨。

A12 Bionic處理器部分：中規(guī)中矩的繼承者

本次發(fā)布會(huì)中，大家關(guān)注的焦點(diǎn)之一可謂就是蘋(píng)果新手機(jī)中的SoC處理器了。本次蘋(píng)果發(fā)布的A12 Bionic可謂中規(guī)中矩，是繼華為之后第二個(gè)發(fā)布7nm手機(jī)芯片的公司。A12總共包含60多億個(gè)晶體管，集成了6核CPU以及4核GPU。在6核CPU中，有兩個(gè)是“性能內(nèi)核”（類(lèi)似ARM架構(gòu)中的大核），在執(zhí)行游戲等場(chǎng)合提供高性能；另外四個(gè)是“能效內(nèi)核”（類(lèi)似ARM架構(gòu)中的小核），在上網(wǎng)收發(fā)郵件等常規(guī)操作中提供較長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。

相對(duì)于上一代SoC，A12的大核速度快了15%，功耗節(jié)省了40%；而小核則把功耗降低了50%。在這里我們可以看到隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)步，使用7nm的處理器速度相對(duì)于使用上一代半導(dǎo)體工藝的處理器僅僅快了15%，但是功耗降了40-50%，可見(jiàn)半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步在7nm節(jié)點(diǎn)對(duì)于性能的幫助已經(jīng)很有限了（尤其是15%的性能提升中還包括了芯片設(shè)計(jì)改進(jìn)帶來(lái)的提升），而對(duì)于功耗還是有較大幫助。

A12 媒體處理部分：AI結(jié)合AR的戰(zhàn)略

A12的CPU以及GPU部分可謂是意料之中，而A12的Neural Engine和ISP部分則成為其中的亮點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，蘋(píng)果下一代手機(jī)與其他手機(jī)相比最大的差異點(diǎn)可能就是AI和AR的結(jié)合。

隨著人工智能的概念大熱，AI已經(jīng)接著這股東風(fēng)進(jìn)入了手機(jī)，如華為與去年秋天就發(fā)布了第一款以人工智能為賣(mài)點(diǎn)的手機(jī)。然而，目前大熱的AI最主要還是一種工具，例如可以從大數(shù)據(jù)中提取規(guī)律，從圖像中識(shí)別特定物體等等，而手機(jī)目前來(lái)說(shuō)并不缺AI作為工具帶來(lái)的提升。因?yàn)槭謾C(jī)的工具屬性不強(qiáng)，因此直接把AI搬到手機(jī)的效果并不能算太好，至少很難成為一個(gè)爆點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，之前手機(jī)結(jié)合AI的主要賣(mài)點(diǎn)是拍照超分辨、智能場(chǎng)景識(shí)別、智能任務(wù)管理等等，這些特性屬于錦上添花，但是很難說(shuō)有消費(fèi)者會(huì)沖著這些AI相關(guān)的特性而購(gòu)買(mǎi)。歸根到底，AI起的作用應(yīng)當(dāng)是為合適成為賣(mài)點(diǎn)的特性賦能，而不是自己試圖成為賣(mài)點(diǎn)。

在蘋(píng)果的規(guī)劃中，這個(gè)賣(mài)點(diǎn)特性就是基于攝像頭的AR應(yīng)用，而AI則能作為賦能者帶來(lái)獨(dú)一無(wú)二的玩法。在發(fā)布會(huì)上蘋(píng)果演示了多個(gè)AR+AI的例子，其中最有趣的App是Home Court，可以幫助用戶在打籃球時(shí)通過(guò)攝像頭自動(dòng)識(shí)別投籃的類(lèi)型、手臂角度、跑動(dòng)速度、投籃角度等等，并將這些信息疊加在實(shí)時(shí)真實(shí)場(chǎng)景上實(shí)現(xiàn)AR的效果。在這些自動(dòng)識(shí)別的背后則是復(fù)雜的AI算法，包括人體姿勢(shì)識(shí)別和物體識(shí)別等。這樣的安排也完美符合“AR做賣(mài)點(diǎn)，AI做賦能”的策略。

AR作為一種新媒體在具體應(yīng)用上可以有很大的想象空間，例如可以作為一個(gè)新的信息入口在日常真實(shí)場(chǎng)景中疊加額外信息（例如識(shí)別出場(chǎng)景中的商店名并上網(wǎng)搜索實(shí)時(shí)將大眾點(diǎn)評(píng)上的評(píng)分顯示在商店上，這其實(shí)和發(fā)布會(huì)上蘋(píng)果演示的Home Court原理很類(lèi)似），也可以作為人際互動(dòng)的工具實(shí)現(xiàn)telepresence虛擬現(xiàn)場(chǎng)（例如未來(lái)facetime中可以把對(duì)方的模型疊加在真實(shí)場(chǎng)景中仿佛他就在你身邊），還可以作為游戲的新類(lèi)型。可以說(shuō)AR大概就是2007年的觸摸屏——技術(shù)已經(jīng)完全成熟，就等應(yīng)用上出現(xiàn)憤怒的小鳥(niǎo)之類(lèi)的爆款點(diǎn)燃消費(fèi)者的熱情了。

在A12 SoC中，對(duì)于AR的硬件支撐除了CPU、GPU做渲染之外主要就是Neural Engine和圖像處理ISP。如前所述，蘋(píng)果的AR背后需要AI算法的支持，因此蘋(píng)果放上了8核neural engine模塊，能實(shí)現(xiàn)5TOPS的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)高速計(jì)算，完成算法的實(shí)時(shí)演算。相比上一代A11中neural engine的0.6TOPS快了8倍不止，可見(jiàn)蘋(píng)果對(duì)于AR+AI的決心。此外，ISP也非常重要，如運(yùn)行雙攝像頭相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)景深識(shí)別等也將成為AR應(yīng)用中的重要部分。

總結(jié)與展望：再下一代蘋(píng)果手機(jī)芯片將會(huì)如何發(fā)展？

從我們之前的分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果對(duì)于未來(lái)的布局重心在于AR上。根據(jù)這樣的結(jié)論，我們可以預(yù)測(cè)再下一代蘋(píng)果手機(jī)芯片的一些發(fā)展可能性。

首先，CPU和GPU部分還將繼續(xù)加強(qiáng)，但是隨著摩爾定律接近尾聲，CPU和GPU的性能提升可能不會(huì)太多，主要集中在功耗的優(yōu)化上。為了滿足應(yīng)用的性能需求，硬件上更有可能做的是在SoC上集成專(zhuān)用計(jì)算單元，而非強(qiáng)行提升CPU／GPU的性能。

此外，ISP作為AR相關(guān)的重要模塊，可能會(huì)有新的模塊和功能加入。例如為了實(shí)現(xiàn)AR中需要的定位、位置關(guān)系建模等，往往需要計(jì)算光流（optical flow），效率最高的辦法就是在ISP中加入光流的專(zhuān)門(mén)計(jì)算模塊。事實(shí)上Nvidia用于自動(dòng)駕駛的SoC Xavier中就已經(jīng)包含了專(zhuān)用光流處理單元，因此蘋(píng)果在未來(lái)也有可能會(huì)根據(jù)AR應(yīng)用的需要而加入類(lèi)似模塊。

在AI方面，neural engine一定會(huì)繼續(xù)進(jìn)化，其提升幅度未必做到一次8倍這么多，但是兩到三倍的提升還是可以預(yù)期的，同時(shí)也可能會(huì)加入稀疏矩陣運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)壓縮等高效計(jì)算特性。

AR方面另一個(gè)可能的需求是傳感器。為了實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別和場(chǎng)景三維建模，在手機(jī)的背部安裝ToF傳感器將是最好的選擇，而iPhone下一代在背部安裝ToF傳感器的傳聞事實(shí)上已經(jīng)出現(xiàn)很久了。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位等AR需要的需求，慣性傳感器也可能得到更新?lián)Q代。