谷歌进军手机芯片,打什么算盘?|半导体行业观察

admin发布

现在智能手机的亮点越来越少,八核,FHD+的全面屏,AMOLED,大容量内存,大家千篇一律。最大的亮点和变数都在拍照里了。

最强拍照手机之争

上周发布的两款手机被关注最多的焦点就在拍照上了。首先是Google最新亲儿子Google Pixel 2在DxOMark手机相机评分榜上碾压iPhone 8和Galaxy Note 8,拿下史上总分最高分:98。紧接着华为Mate 10 Pro则在这个榜单上拿下了总分97分 第二好的成绩。

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而在拍照(Photo)方面,华为Mate 10 Pro 超过了Pixel 2的99分,以100分的成绩傲视群雄。

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从上图可以看出尽管Mate 10 Pro使用了更大的光圈f/1.6,但由于单Camera的像素没有Pixel 2大,所以在曝光和对比度上差于Pixel 2。而Dual PD的快速对焦比PDAF快,使得Pixel 2在Autofocus上略占上风。只是Mate 10 Pro在去噪,变焦,和景深上下足功夫,最终在拍照的总分上超过了Pixel 2。

黑科技:Dual PD

说到上表中的Bokeh(虚化),Google Pixel 2 还用单摄像头实现了双摄才有的背景虚化功能。这是如何实现的呢?其实Google Pixel 2 的后置摄像头用的类似VIVO X20的前置摄像头,都采用的是Dual PD技术。

普通的Camera sensor每个像素点都是一个RGBG 的Bayer Pattern,而Dual PD 的每个像素点则是在Bayer Pattern的技术上,将每个像素点一分为二(如下图)

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使用Dual PD的好处就是,一方面Pixel 较大。一般的12M camera pixel 都为1.12um,最多1.25um,而为了做Dual PD 通常的做法是采用1.4um pixel,当然现在也有了1.28um pixel 的Dual PD sensor。使用大pixel 的好处就是在暗光下相关会更加的好。而另一方面,由于dual PD 每个像素点都跟双Camera一样,分左右图,很容易实现depth map(深度信息),从而实现双Camera的虚化效果。

不过一般双Camera的两个Sensor之间的baseline(间距)都是在10mm左右,Dual PD的间距非常的近,只能对距离在70cm以内的物体产生较为准确的深度信息。Pixel 2 采用了Samsung 1.28um pixel S5K2L9,所以在虚化效果上,会有一定的缺陷。从DXO Mark官网提供的对比照片来看,虽然Pixel 2做到了虚化效果,但此美女背后的柱子出现了明显的虚化不一致,景深距离判断错误的问题。

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其实最早采用Dual PD的是Samsung的Galaxy S7。而S7 仅是利用了Dual PD 大像素暗光效果好的功能,以及由于可以测距,从而实现比PDAF更快的快速对焦。并没有利用测距去实现景深效果。

而VIVO的X20 也是利用此技术,在人脸解锁时,通过Dual PD技术,计算人脸的3D信息,从而避免通过照片欺骗相机解锁的问题。

真正的黑科技:PIxel Visual Core

除了能带来更好的拍照体验外,真正让人们眼前一亮的是,Google Pixel 2 手机里居然内置了Google 自行研发PIxel Visual Core,是一颗尚未激活的图像处理和机器学习协处理器。

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如上图所示,PIxel Visual Core的核心是一个八核的IPU(Image Processing Unit 图像处理单元),而每个IPU 都有512算术逻辑单元(ALU)。除了通过用Halide来进行图像处理,用TensorFlow处理机器学习,Google还做了一个编译器,来优化硬件代码,Google使得IPU的功能一场的强大。

不过,Pixel Visual Core现在依然在休眠,要等到Android 8.1推送之后,这款处理器就能用了。之后,Google会第三方开发者开放Pixel Visual Core,开发者也可以通过Android Camera API,让自己的App用上Pixel 2的HDR+(High-Dynamic Range,高动态范围图像)技术。

HDR+技术

当然,Google 刚开始只是开放的是HDR+ 技术。而HDR+技术其实很早以前就有了。使用此技术主要是解决在高亮度差的情况下,对高亮场景不过曝,低亮场景可以清楚显示的问题。最简单的解释就是解决黑人和白人合影的问题。

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一般实现HDR有几种实现方式:

1. 普通的HDR,即一帧长曝光,一帧短曝光。长曝光可以让低亮度的图像更加清晰,而短曝光可以避免高亮度的地方过曝。但缺点是因为用了两帧图像合成,若两帧的图像有差异,容易产生鬼影(拖影)。此HDR牺牲帧率,所以不适应用于录像,主要适合拍照。

2. iHDR,即同一帧里不同行,一行长曝光,一行短曝光。好处是可以避免两帧合成产生的鬼影,缺点是会牺牲分辨率。iHDR需要Camera Sensor支持。由于牺牲了分辨率,而录像的分辨率一般远低于拍照,所以此技术主要用于录像。

3. zzHDR,即在同一帧里,长曝光和短曝光的像素点交错出现,像一个z字,所以又叫zzHDR。此技术也需要Camera sensor的支持。目前还没有看到使用的手机。

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Google 的 IPU 到底使用哪个技术还不得而知。不过通过提高长短曝光的时间,以及合成的速度,也会让用户体验到更好的HDR效果。Google独立的IPU可以在这块上做很多优化工作。

为什么要采用 PIxel Visual Core?

一般的手机平台,如高通,联发科,展讯,甚至Apple都是在主芯片SoC里集成了图像处理芯片。但这两年我们也看到了很多外置芯片的手机,比如早些年的海思平台,这两年的Samsung Galaxy S系列(S8采用的自己的ISP C3),华硕,VIVO采用了瑞芯微的Pre ISP。通过外置的图像处理芯片,

可以使手机在图像处理上与其他手机产生差异化。比如华硕,VIVO 在暗光下的处理,Google则利用IPU 实现了HDR+。

当然HDR+只是Google先实现的功能,Google今年发布的ARCore就是为了跟Apple的ARkit相抗衡。AR一方面需要强大的CPU,另外一方面则需要更好的图像处理能力,才能使虚拟物体更好的与现实结合在一起。

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由于Google没有自己的主控芯片SoC,无法掌控手机主芯片SoC上的图像处理,通过自己研发图像处理单元,则可以避免不同CPU之间的差异化,和性能不足的问题。另外由于图像处理芯片自己研发,则可以更好的跟自己的算法配合,甚至可以避免一些技术外泄的风险。

使用PIxel Visual Core的风险在哪?

Google做此芯片不知道是否会卖给做Android品牌手机客户,但即便不卖,也可以用在自家Pixel 系列的手机上。所以从芯片销量来讲,没有太多风险。而从芯片架构来看,将图像处理芯片独立出来,需要独立的DRAM,所以Pixel Visual Core也继承了一个LPDDR4。从去年到现在,甚至到明年,DRAM的供货都是供小于求的,若起量,是否能拿到足够的DRAM供货,也是Google需要考虑的问题。好在Google的大客户Samsung自己就能生产DRAM,相信Google在这块也会有足够的话语权的。

Google的野心

Google 的 Pixel 2的推出,带给大家眼前一亮的感觉。无论是单摄实现虚化,还是HDR+的功能,都让人看出Google在拍照方面的良苦用心。虽然用Dual PD的Sensor做景深,距离有所限制,但Dual PD去拍照,暗光效果,对焦速度还是很不错的。此举会带到各手机品牌厂商在拍照功能上的微创新。对Camera sensor厂商,独立的ISP公司,拍照相关算法公司来讲,都是利好消息,让各家都会关注这些公司。

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而对于Google来讲,除了这次的 Pixel Visual Core,Google 早已推出了专门用于 TensorFlow 深度学习应用的处理器 TPU。据了解,Google 早在 2013 年就开始秘密研发 TPU,并在 2015 年上半年用于自己的数据中心。

当时 Google 的基础设施副总裁 Urs Holze 表示,使用 TPU 代表了 Google 为其人工智能服务设计专用硬件迈出的第一步,未来 Google 将设计更多系统层面上的硬件。如今来看,Pixel Visual Core 的出现算是印证了这一说法。

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从这两年Google的收购来看,Google 从收购Android开始,先后收购Youtube,DeepMind,Motorola,hTC等公司,都可以看出Google希望在智能终端上的发力。

操作系统方面,Android的竞争对手仅剩下Apple的iOS。Apple 推出ARkit,Google自然不会落后的推出ARCore。而在于Apple的竞争中,Google也发现了自己对品牌手机厂商的掌控力度不足,对手机硬件平台掌控力的不足,这些都会影响Google与Apple的竞争。Android平台的手机一直不如Apple手机高端,使得Google只能一直免费的释放Android操作系统,并不能很直接的向客户收费。

为了对抗Apple,Pixel Visual Core只是Google的第一步,只是Google为了使Android手机有更多的差异化,新颖的功能。据说Google自己的主芯片SoC 将会在2020年出来。到那个时候才会是Google真正与Apple较量的时候。不过到那个时候,国内的品牌手机厂商会有什么样的牌与Google对抗,才是国内品牌手机厂商需要思考的问题。

作者简介

7 Tens,某知名手机产业链公司供职,手机行业近20年的老司机,善于钻研新技术发展趋势,并进行市场分析对手机相关领域都有自己独到的见解和认知。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1436期内容,欢迎关注。

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