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OPPO造芯,首推6nm影像專用NPU芯片劍指夜景視頻

荷葉塘 ? 來(lái)源:電子發(fā)燒友網(wǎng) ? 作者:程文智 ? 2021-12-16 13:48 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友/程文智)火熱的芯片市場(chǎng)又迎來(lái)了一個(gè)新玩家。12月14日,OPPO在主題為“致善·前行”的OPPO 2021年度未來(lái)科技大會(huì)(OPPO INNO DAY 2021)上正式發(fā)布了其首款影像專用NPU——馬里亞納 MariSilicon X芯片。該芯片采用了DSA架構(gòu)和臺(tái)積電的6nm工藝,算力和能效比十分均衡,同時(shí)還融合了OPPO積累多年的影像處理技術(shù),將計(jì)算影像推向了4K+20bit RAW+AI+Ultra HDR的新極限。
圖:OPPO芯片產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān)姜波在介紹馬里亞納 MariSilicon X芯片
據(jù)悉,在新NPU的支持下,夜景視頻將會(huì)有新的突破,搭載馬里亞納 MariSilicon X的手機(jī)將可以在4K AI HDR視頻中實(shí)現(xiàn)超清夜景照片的清晰畫(huà)質(zhì),讓視頻的每一幀都是一張好照片。那么,MariSilicon X是如何實(shí)現(xiàn)夜景視頻的優(yōu)秀性能的呢?讓我們看看這顆芯片到底有何過(guò)人之處。

MariSilicon X芯片的主要架構(gòu)和核心參數(shù)

馬里亞納 MariSilicon X采用的是DSA(Domain Specific Architecture)新黃金架構(gòu)理念,里面包括了兩大核心IP:MariNeuro AI計(jì)算單元和MariLumi影像處理單元。還有專為MariNeuro AI計(jì)算單元配置的雙層存儲(chǔ)架構(gòu),包括萬(wàn)億比特每秒(Tb/s)讀寫(xiě)速度的片上內(nèi)存子系統(tǒng),以及8.5GB/s的獨(dú)立DDR帶寬,為AI的高效運(yùn)算提供充足的內(nèi)存讀寫(xiě)支持。
所謂的DSA架構(gòu),就是一種更加以應(yīng)用場(chǎng)景為中心的設(shè)計(jì)思路,通過(guò)特殊的計(jì)算架構(gòu),為解決特定領(lǐng)域的問(wèn)題提供強(qiáng)大且高效的性能。DSA架構(gòu)尤其適用于AI領(lǐng)域。通俗地講,就是專芯專用,設(shè)計(jì)出來(lái)的芯片不是解決所有問(wèn)題,而是解決特定的一類問(wèn)題,從而滿足對(duì)效率的需求。
也就是說(shuō),馬里亞納 MariSilicon X就是一顆專為影像而生的NPU芯片,它只做一件事,那就是把影像做到極致。它的具體核心配置可以參考表1。
表1:MariSilicon X的核心配置。

專芯專用,跨越算力鴻溝

OPPO芯片產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān)姜波表示,基于DSA的設(shè)計(jì)理念,OPPO將專用的AI算法進(jìn)行了芯片化,在芯片的底層硬件中,直接嵌入了適合這一算法的算子。MariNeuro AI計(jì)算單元就是專門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)像素級(jí)圖像處理的,它的有效算力高達(dá)18TOPS,每秒可以進(jìn)行18萬(wàn)億次的運(yùn)算。
眾所周知,算力是一切計(jì)算的基礎(chǔ),而在手機(jī)影像的應(yīng)用中,算力一般分為四個(gè)等級(jí),分別是場(chǎng)景感知、場(chǎng)景重構(gòu)、像素級(jí)處理和多維度立體圖像處理。AI在影像領(lǐng)域的不同的應(yīng)用場(chǎng)景中,對(duì)算力有著不同的需求。
圖:AI在影像領(lǐng)域的不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)算力的需求。(來(lái)源:OPPO)
傳統(tǒng)的計(jì)算攝影由于算力的限制,只能做到場(chǎng)景重構(gòu)這一層級(jí),比如大部分手機(jī)目前對(duì)于人像處理時(shí)采用的人臉檢測(cè)和美顏的計(jì)算。想要更進(jìn)一步,逐個(gè)像素對(duì)圖像進(jìn)行處理,乃至未來(lái)對(duì)AR/VR的三維圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,高算力是必不可少的。“根據(jù)OPPO的測(cè)試經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)像素級(jí)的圖像處理至少需要10-50TOPS級(jí)別的算力?!苯ū硎?。
他同時(shí)強(qiáng)調(diào),堆砌算力并非重點(diǎn)。算力往往可以通過(guò)提升計(jì)算主頻或者增加計(jì)算核心數(shù)量來(lái)粗暴地實(shí)現(xiàn),而更具挑戰(zhàn)的是在手機(jī)的功耗發(fā)熱約束之下依然能夠?qū)崿F(xiàn)高算力,這就是能效比的重要性。
馬里亞納 MariSilicon X 的能效比就達(dá)到了11.6 TOPS/W,這也是手機(jī)AI能效罕見(jiàn)地實(shí)現(xiàn)了雙位數(shù)的每瓦性能,是手機(jī)NPU芯片AI能效新的里程碑。
在OPPO的實(shí)際測(cè)試中,采用了OPPO自研的AI降噪算法(這一算法目前已經(jīng)應(yīng)用在了Find X3 Pro的夜景拍照中)。在實(shí)際的測(cè)試中,這樣的算法加載在Find X3 Pro上,AI的性能只能做到2fps,而功耗則接近1.7W;這樣的幀率,完全不夠視頻最低的30fps的要求。而1.7W的功耗,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了手機(jī)對(duì)視頻處理的最高功耗要求。
而同樣的模型加載在馬里亞納 MariSilicon X的時(shí)候,可以做到40fps的運(yùn)行速度,同時(shí)功耗只有不到0.8W,這樣的性能是20倍的提升,功耗則不到之前的一半?!霸綄S茫礁咝?,在這組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中得到了最好的體現(xiàn)?!苯ǚ窒碚f(shuō)。
除了算力,AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理速度還受限于內(nèi)存的容量和讀寫(xiě)速度,也就是行業(yè)常說(shuō)的馮·諾依曼“內(nèi)存墻”瓶頸。計(jì)算單元的運(yùn)算速度和傳輸速度就像一個(gè)木桶中的不同木板,最短的那個(gè)限制了計(jì)算單元的能力。
為了更好地發(fā)揮馬里亞納 MariSilicon X的運(yùn)算能力,OPPO非常奢侈地集成了雙層存儲(chǔ)架構(gòu),包括萬(wàn)億比特每秒(Tb/s)級(jí)讀寫(xiě)速度的片上內(nèi)存子系統(tǒng),以及8.5GB/s的獨(dú)立DDR帶寬,為AI的高效運(yùn)算提供充足的內(nèi)存讀寫(xiě)支持。
片上內(nèi)存子系統(tǒng)集成在AI計(jì)算單元MariNeuro上,只服務(wù)于與AI運(yùn)算相關(guān)的數(shù)據(jù)吞吐,最高可以提供數(shù)十倍于目前手機(jī)中最先進(jìn)的LPDDR5的數(shù)據(jù)傳輸速度,極大程度地降低數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)與計(jì)算兩個(gè)單元的繁復(fù)讀寫(xiě),讓AI數(shù)據(jù)在計(jì)算的時(shí)候不需要離開(kāi)AI計(jì)算單元,這就能大幅降低計(jì)算時(shí)的功耗。
不僅如此,馬里亞納 MariSilicon X獨(dú)立的DDR帶寬專門(mén)為芯片內(nèi)的各個(gè)IP提供獨(dú)立帶寬,也在SoC的基礎(chǔ)上,增加了17%的系統(tǒng)總帶寬。
此外,OPPO還為內(nèi)存子系統(tǒng)和獨(dú)立DDR帶寬設(shè)計(jì)了分層結(jié)構(gòu)與多行并行流程,保證圖像數(shù)據(jù)在MariLumi影像處理單元與MariNeuro AI計(jì)算單元間的輸入與輸出可以實(shí)現(xiàn)最低的時(shí)延,降低因反復(fù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)造成的功耗,令視頻處理更快更高效。

AI降噪算法前置,帶來(lái)更優(yōu)畫(huà)質(zhì)

馬里亞納 MariSilicon X里面另外一個(gè)重要的自研IP——MariLumi 影像處理單元,它針對(duì)視頻流趨勢(shì)進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì),能夠流暢地面向4K規(guī)格的視頻數(shù)據(jù)量進(jìn)行計(jì)算。像素級(jí)的處理速度也讓智能HDR融合算法可以在這顆單元的前端運(yùn)行,最終令畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了20bit 120db(20 stops),相比Find X3 Pro提升4倍,達(dá)到20bit Ultra HDR超級(jí)動(dòng)態(tài)范圍。20bit-120dB意味著對(duì)于一張圖片而言,最暗和最亮的部分相差100萬(wàn)倍。
姜波指出,OPPO通過(guò)該芯片的HDR能力,可以將原來(lái)只屬于白天的動(dòng)態(tài)范圍,首次拓展到在夜間視頻上。相比Find X3的方案來(lái)看,馬里亞納 MariSilicon X處理后的視頻畫(huà)面更自然,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到人眼可分辨的極限。
其實(shí),從鏡頭到最終存儲(chǔ)的影像,是一個(gè)數(shù)據(jù)不斷壓縮的過(guò)程。具體來(lái)看,影像處理過(guò)程中涉及3個(gè)空間,RAW-RGB-YUV,數(shù)據(jù)每經(jīng)過(guò)一次轉(zhuǎn)換,就會(huì)受到一定損失。
RAW是原始數(shù)據(jù)的空間,這里承接的是從傳感器光電轉(zhuǎn)換得來(lái)的所有無(wú)損數(shù)據(jù),有著更豐富的信息量和更大的數(shù)據(jù)量。但RAW域的圖像信息是無(wú)法直接觀看的,必須在RGB域“上色”,再輸出到Y(jié)UV域進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化,最后生成JPEG/HEIF等可在屏幕上觀看的格式。
RAW有一個(gè)好處就是它的線性度、色彩比較好,有更原始的信息,所以在RAW上處理,可以得到更好的處理效果。但算法復(fù)雜度、實(shí)際相應(yīng)的硬件投入都會(huì)更多。因此,傳統(tǒng)的HDR都選擇在YUV里合成。
而馬里亞納 MariSilicon X將傳統(tǒng)在后端的處理前置到了RAW域,并且因?yàn)閺?qiáng)大的算力,最高可以支持20bit位寬的RAW數(shù)據(jù)處理。而且是基于更先進(jìn)的AI算法和20bit HDR融合的計(jì)算,對(duì)每個(gè)像素做實(shí)時(shí)的計(jì)算。
通過(guò)算法前置,MariSilicon X能夠?yàn)檎麄€(gè)鏈路帶來(lái)最多8dB的信噪比提升,這意味著在YUV等待計(jì)算的通用平臺(tái),拿到的也是更優(yōu)質(zhì)的圖像信息,就能夠在后處理,比如色調(diào)映射、3A校準(zhǔn)等基礎(chǔ)計(jì)算實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的表現(xiàn)。

打破影像的不可能三角

人工智能的三要素是數(shù)據(jù)、算力和算法,對(duì)應(yīng)到計(jì)算影像上來(lái)說(shuō)就是傳感器、芯片和AI算法,這三者環(huán)環(huán)相扣,缺一不可。但行業(yè)主要面臨的問(wèn)題,就是傳感器、芯片和算法的技術(shù)發(fā)展不同步。一般來(lái)說(shuō),芯片的開(kāi)發(fā)周期基本需要兩年以上,傳感器則是一年一代更新迭代,而算法開(kāi)發(fā)和訓(xùn)練所需的時(shí)間則更短,這就意味著很難有廠商可以將三者在一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)上完美調(diào)優(yōu)。
此外,在傳統(tǒng)的技術(shù)生態(tài)中,傳感器、芯片和影像算法會(huì)由產(chǎn)業(yè)鏈中不同領(lǐng)域的公司負(fù)責(zé)。假設(shè)有企業(yè)要做一顆芯片,通常的做法是去找專業(yè)的算法公司來(lái)購(gòu)買(mǎi)算法,再找一個(gè)前端公司做芯片的邏輯設(shè)計(jì),很少有公司會(huì)負(fù)責(zé)所有部分。這樣做在公司運(yùn)營(yíng)和成本方面好處有很多,但也帶來(lái)了用戶體驗(yàn)上的問(wèn)題——無(wú)法耦合各個(gè)模塊,也就無(wú)法將指標(biāo)做到最優(yōu)。
完美打通算法、芯片和傳感器是行業(yè)中長(zhǎng)期以來(lái)都無(wú)法解決的問(wèn)題,“我們稱之為手機(jī)影像的「不可能三角」?!苯ń忉尫Q。
如今,OPPO通過(guò)自己在影像領(lǐng)域的技術(shù)和算法積累,再加上近年來(lái)逐步建構(gòu)起的芯片設(shè)計(jì)能力,通過(guò)自研芯片和自研算法的整合,自研芯片和深度定制傳感器的配合,以及自研芯片和通用平臺(tái)的打通,打破手機(jī)影像的不可能三角。
RGBW Pro模式就是打破手機(jī)影像的不可能三角最好的例證。通過(guò)雙通路設(shè)計(jì),馬里亞納 MariSilicon X實(shí)現(xiàn)了對(duì)RGB和W像素的分隔處理,最大化利用每一種像素特性,釋放出RGBW陣列的全部潛力。馬里亞納 MariSilicon X的RGBW Pro模式帶來(lái)了8.6dB的信噪比提升,以及1.7倍的解析力提升,在傳感器尺寸規(guī)格都沒(méi)有變化的前提下實(shí)現(xiàn)大幅的影像效果增強(qiáng)。

四項(xiàng)能力突破,解決夜景視頻畫(huà)質(zhì)問(wèn)題

得益于前面提到的技術(shù),馬里亞納 MariSilicon X獲得了四項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)能力,即(1)強(qiáng)大的AI計(jì)算能效;(2)領(lǐng)先行業(yè)的Ultra HDR;(3)無(wú)損的實(shí)時(shí)RAW計(jì)算;(4)最大化傳感器能力的RGBW Pro。而這思想能力的突破,讓OPPO可以解決手機(jī)影像長(zhǎng)期尚未解決的難題——夜景視頻畫(huà)質(zhì)的問(wèn)題。
在全新標(biāo)準(zhǔn)之下,安卓影像第一次有能力同時(shí)支持4K + 20bit RAW + AI + Ultra HDR的極限規(guī)格。最終的結(jié)果,就是夜景視頻的畫(huà)質(zhì)得到了質(zhì)的提升。

從1080P到4K:傳統(tǒng)弱光下的視頻拍攝,只要打開(kāi)AI視頻增強(qiáng),由于算力所限,畫(huà)質(zhì)被限制在1080P。馬里亞納 MariSilicon X超強(qiáng)AI性能將分辨率提升了4倍,首次讓AI計(jì)算夜景視頻達(dá)到4K規(guī)格。
從有損到無(wú)損:相較于傳統(tǒng)計(jì)算影像都發(fā)生在YUV域的有損后處理,馬里亞納 MariSilicon X將復(fù)雜的計(jì)算前置在RAW域,為整體影像鏈路輸出更高質(zhì)量的原始圖像信息。
從AI拍照到AI視頻:馬里亞納 MariSilicon X也讓原本只能用于拍照的AI降噪算法,首次拓展到了視頻應(yīng)用,為視頻的每一幀帶來(lái)極高的純凈度。
從18bit HDR到20bit Ultra HDR:馬里亞納 MariSilicon X支持的畫(huà)面動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了20bit Ultra HDR,是目前主流平臺(tái)18bit的4倍(2的20次方與2的18次方相比),信噪比達(dá)到120db,讓視頻的每一幀都擁有和人眼一致的動(dòng)態(tài)范圍。


結(jié)語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō),馬里亞納 MariSilicon X是一顆極致功耗的NPU,結(jié)合20bit的HDR,RAW處理、以及RGBW傳感器的耦合,加上OPPO多年來(lái)在影像技術(shù)方面的探索和影像算法方面的積累,將視頻拍攝推向了一個(gè)新的高度。
以前,手機(jī)上只能做YUV的1080p的AI降噪處理,有了馬里亞納 MariSilicon X的助力后,4K的AI在RAW上實(shí)現(xiàn)了可能,讓用戶體驗(yàn)有了4倍的提升。也就是說(shuō),有了馬里亞納 MariSilicon X后,不論是拍照,還是錄視頻;也不論是拍夜景,還是錄夜景視頻,用戶都將得心應(yīng)手。
一般來(lái)說(shuō),消費(fèi)類電子產(chǎn)品使用的芯片是一年一升級(jí),明年的馬里亞納 MariSilicon X是否會(huì)推出其第二代產(chǎn)品呢?姜波回應(yīng)稱,對(duì)于下一代產(chǎn)品,目前已經(jīng)在探索中了。
最后,姜波透露說(shuō),馬里亞納 MariSilicon X芯片將會(huì)首先搭載在Find X系列手機(jī)上,預(yù)計(jì)明年一季度就可以與廣大用戶見(jiàn)面,請(qǐng)大家拭目以待。
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    RK3588?NPU簡(jiǎn) 介 作為瑞微新一代旗艦工業(yè)處理器,RK3588 NPU性能可謂十分強(qiáng)大,6TOPS設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理計(jì)算。這使得RK3588在 圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別
    的頭像 發(fā)表于 02-27 14:14 ?1588次閱讀
    基于RK3588的<b class='flag-5'>NPU</b>案例分享!<b class='flag-5'>6</b>T是真的強(qiáng)!

    OPPO,銳思智,高通三方攜手,共同推動(dòng)智能手機(jī)影像AI Motion變革

    美國(guó)拉斯維加斯,2024年1月11日——OPPO,銳思智,高通近期發(fā)布,合作推動(dòng)創(chuàng)新性融合視覺(jué)傳感(Hybrid Vision Sensing, HVS?)技術(shù)在智能手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用。通過(guò)HVS
    發(fā)表于 01-11 09:07 ?623次閱讀
    <b class='flag-5'>OPPO</b>,銳思智<b class='flag-5'>芯</b>,高通三方攜手,共同推動(dòng)智能手機(jī)<b class='flag-5'>影像</b>AI Motion變革

    OPPO Find X7搭載天璣9300旗艦

    OPPO 深度聯(lián)合開(kāi)發(fā)之下,首次將性能從內(nèi)存帶入芯片底層,重新定義性能調(diào)度的方式,全面釋放天璣 9300 旗艦的能力,助力 OPPO Find X7 在性能、游戲、
    的頭像 發(fā)表于 01-09 09:31 ?743次閱讀