蘋果芯片的發展路徑預測 | 半導體行業觀察

電腦通訊 9547 194 2018-09-17

來源:內容由 微信公眾號 半導體行業觀察 (ID:icbank) 李飛 原創,謝謝。

蘋果于近日召開了手機和手表發布會。按照蘋果“一年新品,一年改良”的作風,在繼去年發布了引領風潮的iPhone X后,今年蘋果在發布會上發布的產品主要是去年的改良版本。雖然并沒有太多驚喜,但是我們仍然能看到蘋果產品背后的邏輯,并預測相關芯片技術的發展路徑。

傳感器加時尚——蘋果可穿戴設備的核心壁壘

發布會上首先發布了Apple Watch 4。不得不說,Apple Watch系列是可穿戴設備中時尚感最強的,外觀設計非常得體,從而能夠走進大眾而不僅僅是極客的玩具。

在這次發布的Apple Watch 4中,除了處理器更新換代計算能力加強之外,最主要的設計改進來自于傳感器的使用。首先,Apple Watch 4中使用了下一代加速度傳感器,將加速器傳感的動態范圍提高到了原來的兩倍,最高加速度可以測到32g,此外,采樣速度也提升到了原來的8倍。采用加強版的加速度傳感器,Apple Watch 4能夠檢測到人摔倒的動作,一旦檢測到摔倒將會提示撥打急救電話。

除了升級的加速度傳感器之外,Apple Watch 4另一個亮點是心電圖ECG傳感器。在上一代手表中已經包含了使用LED做心率傳感器,而在Apple Watch 4中則更是加入了ECG,從而能幫助檢測心臟房顫。Apple Watch 4的ECG功能實現是由表盤底部和表冠上的兩個電極實現的。在測量ECG時一個電極自然貼近手腕,而另一只手的手指放在表冠上持續30秒,在這30秒內ECG傳感器電極會發射微電流并檢測返回信號,從而完成ECG的測量,并把ECG測量結果儲存到Health App中,方便健康管理。值得一提的是,Apple Watch的ECG功能已經通過了FDA認證,因此其測量結果可以作為醫生診斷的輔助依據。

Apple Watch 4中的傳感器目前主要還是針對熱愛運動的人群,加速度傳感器可以在運動摔倒時及時報警避免二次受傷,而ECG則可以在運動中感覺不適時及時診斷。在未來的人體傳感器中,最重要的一個特點就是能實現持續測量并獲得連續信號,這也將是未來精確化醫療的重要條件。

在發布會上,蘋果請到了美國心臟協會的主席Ivor Benjamin醫生,Benjamin醫生表示目前許多病人的心臟病信號往往并不發生在就診時,從而為心臟病的診斷帶來了困難。蘋果的ECG測量功能則可以看作是人體生理信號持續測量的雛形,至少可以在任何時刻用戶都可以主動開啟測量過程而無需去醫院并將ECG數據記錄下來,從而能夠幫助醫生診斷。

Apple Watch 4的傳感器功能是否真正實用還有待觀察,但是這也是蘋果強化Apple Watch中傳感器成分的重要舉措。要知道之前Apple Watch的定位是一個時尚手表搭配個人助手,能完成簡單的通話、短信等輔助功能,傳感器并非其最大的賣點。但是隨著其他公司的可穿戴設備逐漸跟上,Apple Watch必須樹立起除了設計精美之外的其他競爭壁壘,而傳感器看來就是蘋果的嘗試方向,而且我們可望在未來看到蘋果把傳感器的針對人群從運動人群推廣到更多的普羅大眾,讓更多人能享受傳感器帶來的便利。在Apple Watch 4發布之后,預計我們也會看到市面上出現許多跟隨者發布擁有類似傳感功能的便攜式設備,這樣我們的數字化健康管理時代可望將會在技術逐漸成熟后真正來臨。

A12 Bionic處理器部分:中規中矩的繼承者

本次發布會中,大家關注的焦點之一可謂就是蘋果新手機中的SoC處理器了。本次蘋果發布的A12 Bionic可謂中規中矩,是繼華為之后第二個發布7nm手機芯片的公司。A12總共包含60多億個晶體管,集成了6核CPU以及4核GPU。在6核CPU中,有兩個是“性能內核”(類似ARM架構中的大核),在執行游戲等場合提供高性能;另外四個是“能效內核”(類似ARM架構中的小核),在上網收發郵件等常規操作中提供較長的待機時間。

相對于上一代SoC,A12的大核速度快了15%,功耗節省了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體工藝進步,使用7nm的處理器速度相對于使用上一代半導體工藝的處理器僅僅快了15%,但是功耗降了40-50%,可見半導體工藝的進步在7nm節點對于性能的幫助已經很有限了(尤其是15%的性能提升中還包括了芯片設計改進帶來的提升),而對于功耗還是有較大幫助。

A12 媒體處理部分:AI結合AR的戰略

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。可以說,蘋果下一代手機與其他手機相比最大的差異點可能就是AI和AR的結合。

隨著人工智能的概念大熱,AI已經接著這股東風進入了手機,如華為與去年秋天就發布了第一款以人工智能為賣點的手機。然而,目前大熱的AI最主要還是一種工具,例如可以從大數據中提取規律,從圖像中識別特定物體等等,而手機目前來說并不缺AI作為工具帶來的提升。因為手機的工具屬性不強,因此直接把AI搬到手機的效果并不能算太好,至少很難成為一個爆點。具體來說,之前手機結合AI的主要賣點是拍照超分辨、智能場景識別、智能任務管理等等,這些特性屬于錦上添花,但是很難說有消費者會沖著這些AI相關的特性而購買。歸根到底,AI起的作用應當是為合適成為賣點的特性賦能,而不是自己試圖成為賣點。

在蘋果的規劃中,這個賣點特性就是基于攝像頭的AR應用,而AI則能作為賦能者帶來獨一無二的玩法。在發布會上蘋果演示了多個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通過攝像頭自動識別投籃的類型、手臂角度、跑動速度、投籃角度等等,并將這些信息疊加在實時真實場景上實現AR的效果。在這些自動識別的背后則是復雜的AI算法,包括人體姿勢識別和物體識別等。這樣的安排也完美符合“AR做賣點,AI做賦能”的策略。

AR作為一種新媒體在具體應用上可以有很大的想象空間,例如可以作為一個新的信息入口在日常真實場景中疊加額外信息(例如識別出場景中的商店名并上網搜索實時將大眾點評上的評分顯示在商店上,這其實和發布會上蘋果演示的Home Court原理很類似),也可以作為人際互動的工具實現telepresence虛擬現場(例如未來facetime中可以把對方的模型疊加在真實場景中仿佛他就在你身邊),還可以作為游戲的新類型。可以說AR大概就是2007年的觸摸屏——技術已經完全成熟,就等應用上出現憤怒的小鳥之類的爆款點燃消費者的熱情了。

在A12 SoC中,對于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,蘋果的AR背后需要AI算法的支持,因此蘋果放上了8核neural engine模塊,能實現5TOPS的神經網絡相關高速計算,完成算法的實時演算。相比上一代A11中neural engine的0.6TOPS快了8倍不止,可見蘋果對于AR+AI的決心。此外,ISP也非常重要,如運行雙攝像頭相關算法實現景深識別等也將成為AR應用中的重要部分。

總結與展望:再下一代蘋果手機芯片將會如何發展?

從我們之前的分析中,我們可以發現蘋果對于未來的布局重心在于AR上。根據這樣的結論,我們可以預測再下一代蘋果手機芯片的一些發展可能性。

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

此外,ISP作為AR相關的重要模塊,可能會有新的模塊和功能加入。例如為了實現AR中需要的定位、位置關系建模等,往往需要計算光流(optical flow),效率最高的辦法就是在ISP中加入光流的專門計算模塊。事實上Nvidia用于自動駕駛的SoC Xavier中就已經包含了專用光流處理單元,因此蘋果在未來也有可能會根據AR應用的需要而加入類似模塊。

在AI方面,neural engine一定會繼續進化,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期的,同時也可能會加入稀疏矩陣運算、網絡壓縮等高效計算特性。

AR方面另一個可能的需求是傳感器。為了實現手勢識別和場景三維建模,在手機的背部安裝ToF傳感器將是最好的選擇,而iPhone下一代在背部安裝ToF傳感器的傳聞事實上已經出現很久了。除此之外,為了實現室內定位等AR需要的需求,慣性傳感器也可能得到更新換代。