馬里亞納 MariSilicon X芯片或?qū)⑹装l(fā)搭載Find X系列手機

火熱的芯片市場又迎來了一個新玩家。12月，OPPO在主題為“致善·前行”的OPPO 2021年度未來科技大會（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)和臺積電的6nm工藝，算力和能效比十分均衡，同時還融合了OPPO積累多年的影像處理技術(shù)，將計算影像推向了4K+20bit RAW+AI+Ultra HDR的新極限。

據(jù)悉，在新NPU的支持下，夜景視頻將會有新的突破，搭載馬里亞納 MariSilicon X的手機將可以在4K AI HDR視頻中實現(xiàn)超清夜景照片的清晰畫質(zhì)，讓視頻的每一幀都是一張好照片。那么，MariSilicon X是如何實現(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計算單元和MariLumi影像處理單元。還有專為MariNeuro AI計算單元配置的雙層存儲架構(gòu)，包括萬億比特每秒（Tb/s）讀寫速度的片上內(nèi)存子系統(tǒng)，以及8.5GB/s的獨立DDR帶寬，為AI的高效運算提供充足的內(nèi)存讀寫支持。

所謂的DSA架構(gòu)，就是一種更加以應(yīng)用場景為中心的設(shè)計思路，通過特殊的計算架構(gòu)，為解決特定領(lǐng)域的問題提供強大且高效的性能。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)計出來的芯片不是解決所有問題，而是解決特定的一類問題，從而滿足對效率的需求。

也就是說，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。

專芯專用，跨越算力鴻溝

OPPO芯片產(chǎn)品高級總監(jiān)姜波表示，基于DSA的設(shè)計理念，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計算單元就是專門用來實現(xiàn)像素級圖像處理的，它的有效算力高達(dá)18TOPS，每秒可以進(jìn)行18萬億次的運算。

眾所周知，算力是一切計算的基礎(chǔ)，而在手機影像的應(yīng)用中，算力一般分為四個等級，分別是場景感知、場景重構(gòu)、像素級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)用場景中，對算力有著不同的需求。

傳統(tǒng)的計算攝影由于算力的限制，只能做到場景重構(gòu)這一層級，比如大部分手機目前對于人像處理時采用的人臉檢測和美顏的計算。想要更進(jìn)一步，逐個像素對圖像進(jìn)行處理，乃至未來對AR/VR的三維圖像進(jìn)行實時處理，高算力是必不可少的?！案鶕?jù)OPPO的測試經(jīng)驗，實現(xiàn)像素級的圖像處理至少需要10-50TOPS級別的算力。”姜波表示。

他同時強調(diào)，堆砌算力并非重點。算力往往可以通過提升計算主頻或者增加計算核心數(shù)量來粗暴地實現(xiàn)，而更具挑戰(zhàn)的是在手機的功耗發(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AI能效罕見地實現(xiàn)了雙位數(shù)的每瓦性能，是手機NPU芯片AI能效新的里程碑。

在OPPO的實際測試中，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）。在實際的測試中，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)超出了手機對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的時候，可以做到40fps的運行速度，同時功耗只有不到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?，在這組實測數(shù)據(jù)中得到了最好的體現(xiàn)?！苯ǚ窒碚f。

除了算力，AI神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的處理速度還受限于內(nèi)存的容量和讀寫速度，也就是行業(yè)常說的馮·諾依曼“內(nèi)存墻”瓶頸。計算單元的運算速度和傳輸速度就像一個木桶中的不同木板，最短的那個限制了計算單元的能力。

為了更好地發(fā)揮馬里亞納 MariSilicon X的運算能力，OPPO非常奢侈地集成了雙層存儲架構(gòu)，包括萬億比特每秒（Tb/s）級讀寫速度的片上內(nèi)存子系統(tǒng)，以及8.5GB/s的獨立DDR帶寬，為AI的高效運算提供充足的內(nèi)存讀寫支持。

片上內(nèi)存子系統(tǒng)集成在AI計算單元MariNeuro上，只服務(wù)于與AI運算相關(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)在存儲與計算兩個單元的繁復(fù)讀寫，讓AI數(shù)據(jù)在計算的時候不需要離開AI計算單元，這就能大幅降低計算時的功耗。

不僅如此，馬里亞納 MariSilicon X獨立的DDR帶寬專門為芯片內(nèi)的各個IP提供獨立帶寬，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)和獨立DDR帶寬設(shè)計了分層結(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計算單元間的輸入與輸出可以實現(xiàn)最低的時延，降低因反復(fù)讀寫數(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，帶來更優(yōu)畫質(zhì)

馬里亞納 MariSilicon X里面另外一個重要的自研IP——MariLumi 影像處理單元，它針對視頻流趨勢進(jìn)行了獨特設(shè)計，能夠流暢地面向4K規(guī)格的視頻數(shù)據(jù)量進(jìn)行計算。像素級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行，最終令畫面動態(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超級動態(tài)范圍。20bit-120dB意味著對于一張圖片而言，最暗和最亮的部分相差100萬倍。

姜波指出，OPPO通過該芯片的HDR能力，可以將原來只屬于白天的動態(tài)范圍，首次拓展到在夜間視頻上。相比Find X3的方案來看，馬里亞納 MariSilicon X處理后的視頻畫面更自然，動態(tài)范圍達(dá)到人眼可分辨的極限。

其實，從鏡頭到最終存儲的影像，是一個數(shù)據(jù)不斷壓縮的過程。具體來看，影像處理過程中涉及3個空間，RAW-RGB-YUV，數(shù)據(jù)每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)換，就會受到一定損失。

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)換得來的所有無損數(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、實際相應(yīng)的硬件投入都會更多。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，并且因為強大的算力，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融合的計算，對每個像素做實時的計算。

通過算法前置，MariSilicon X能夠為整個鏈路帶來最多8dB的信噪比提升，這意味著在YUV等待計算的通用平臺，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)計算實現(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，對應(yīng)到計算影像上來說就是傳感器、芯片和AI算法，這三者環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。但行業(yè)主要面臨的問題，就是傳感器、芯片和算法的技術(shù)發(fā)展不同步。一般來說，芯片的開發(fā)周期基本需要兩年以上，傳感器則是一年一代更新迭代，而算法開發(fā)和訓(xùn)練所需的時間則更短，這就意味著很難有廠商可以將三者在一個時間節(jié)點上完美調(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)的算法公司來購買算法，再找一個前端公司做芯片的邏輯設(shè)計，很少有公司會負(fù)責(zé)所有部分。這樣做在公司運營和成本方面好處有很多，但也帶來了用戶體驗上的問題——無法耦合各個模塊，也就無法將指標(biāo)做到最優(yōu)。

完美打通算法、芯片和傳感器是行業(yè)中長期以來都無法解決的問題，“我們稱之為手機影像的「不可能三角」。”姜波解釋稱。

如今，OPPO通過自己在影像領(lǐng)域的技術(shù)和算法積累，再加上近年來逐步建構(gòu)起的芯片設(shè)計能力，通過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的打通，打破手機影像的不可能三角。

RGBW Pro模式就是打破手機影像的不可能三角最好的例證。通過雙通路設(shè)計，馬里亞納 MariSilicon X實現(xiàn)了對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)格都沒有變化的前提下實現(xiàn)大幅的影像效果增強。

四項能力突破，解決夜景視頻畫質(zhì)問題

得益于前面提到的技術(shù)，馬里亞納 MariSilicon X獲得了四項關(guān)鍵的技術(shù)能力，即（1）強大的AI計算能效；（2）領(lǐng)先行業(yè)的Ultra HDR；（3）無損的實時RAW計算；（4）最大化傳感器能力的RGBW Pro。而這思想能力的突破，讓OPPO可以解決手機影像長期尚未解決的難題——夜景視頻畫質(zhì)的問題。

在全新標(biāo)準(zhǔn)之下，安卓影像第一次有能力同時支持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AI視頻增強，由于算力所限，畫質(zhì)被限制在1080P。馬里亞納 MariSilicon X超強AI性能將分辨率提升了4倍，首次讓AI計算夜景視頻達(dá)到4K規(guī)格。

從有損到無損：相較于傳統(tǒng)計算影像都發(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極高的純凈度。

從18bit HDR到20bit Ultra HDR：馬里亞納 MariSilicon X支持的畫面動態(tài)范圍達(dá)到了20bit Ultra HDR，是目前主流平臺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態(tài)范圍。

結(jié)語

總的來說，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新的高度。

以前，手機上只能做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上實現(xiàn)了可能，讓用戶體驗有了4倍的提升。也就是說，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。

一般來說，消費類電子產(chǎn)品使用的芯片是一年一升級，明年的馬里亞納 MariSilicon X是否會推出其第二代產(chǎn)品呢？姜波回應(yīng)稱，對于下一代產(chǎn)品，目前已經(jīng)在探索中了。

最后，姜波透露說，馬里亞納 MariSilicon X芯片將會首先搭載在Find X系列手機上，預(yù)計明年一季度就可以與廣大用戶見面，請大家拭目以待。

原文標(biāo)題：OPPO造芯，首推6nm影像專用NPU芯片劍指夜景視頻

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