為軟件功能量身定制硬件，反過來進(jìn)一步提升軟件的運行效率，或許才是未來在手機(jī)端更現(xiàn)實的解決方案。站在 2021 年底，回顧今年的智能手機(jī)發(fā)展趨勢，你會想到哪些關(guān)鍵詞呢？

如果是從手機(jī)硬件來講，或許更多人會第一個想到的，會是關(guān)于“自研芯片”在 2021 年的井噴式爆發(fā)：不僅有小米旗下的澎湃處理器時隔四年歸來，發(fā)布搭載在 MIX FOLD 的澎湃 C1 ISP 芯片；vivo?首顆 ISP 芯片 vivo V1 也已經(jīng)在 X70 系列上亮相；到了十月，還有 Google 首款搭載自研 SoC —— Tensor Chip 的 Pixel 6 系列正式發(fā)布。

從手機(jī)體驗的角度，“自研處理器”或許在今年沒有掀起太高的話題度：除了 Google 發(fā)布的算是實打?qū)嵉?SoC 之外，小米與 vivo 都只是在自家一款新機(jī)上應(yīng)用了定位服務(wù)手機(jī)影像功能的 ISP 芯片；但這仍然很有可能，會是未來 5-10 年手機(jī)廠商在硬件研發(fā)上的一個重要趨勢。

為什么會有這樣的結(jié)論，或許我們能從目前 Google 自研 SoC 的進(jìn)度中，找到關(guān)于這個問題的答案。

自研芯片這件事

早在 Pixel 6 系列發(fā)布之前，從很多曝光來源我們就已經(jīng)得知，Google 的這款 SoC 無論是從 CPU 還是在 SoC 整體架構(gòu)上都選擇了非常“特立獨行”的設(shè)計，雖然這倒是 Google 在硬件設(shè)計上的一貫風(fēng)格，但外界其實一直對 Google 在具體的芯片設(shè)計上做出的取舍了解甚少。

在發(fā)布數(shù)周之后，Google 內(nèi)部芯片研發(fā)部門 Google Silicon 副總裁兼總經(jīng)理 Phil Carmack 接受了外媒 arsTECHNICA 的采訪，披露了很多關(guān)于 Google 在自研 SoC 上做出取舍的緣由。

今年旗艦 SoC 架構(gòu)中，包括用于 Galaxy S21 系列所采用的 Exynos 2100，以及今年絕大部分國產(chǎn)旗艦手機(jī)都搭載的高通驍龍 888，采用的都是“1+3+4”核心設(shè)計方案：即 CPU 由一顆 Cortex-X1 大核心、三顆 A78 中核心以及四顆 A55 小核心的組成，這也是 ARM 在授權(quán)芯片廠商時給出的指導(dǎo)設(shè)計。

當(dāng)然，這套“公版設(shè)計”也并非萬用靈藥：比如今年高通今年發(fā)布的新旗艦 SoC 驍龍 888 ，就因為這顆 2.84GHz 的 X1 大核欠缺更多的調(diào)校，讓今年一眾搭載 888 的旗艦在上市早期或多或少都出現(xiàn)了功耗/散熱異常的問題。

但在 Google Tensor 的 CPU 架構(gòu)設(shè)計上，Google 卻反其道而行之，不僅沒有避開這個雷區(qū)，反而選擇在 CPU 架構(gòu)上加入兩顆 Cortex-X1 大核，與其余兩顆 A76 中核、四顆 A55 小核一起構(gòu)成 Tensor Chip 的 CPU 架構(gòu)陣容。

???針對軟件，定制硬件

“這一切都?xì)w結(jié)于你想要完成的任務(wù)”。

關(guān)于芯片架構(gòu)的設(shè)計，Google 內(nèi)部芯片研發(fā)部門副總裁 Carmack 在接受采訪時表示：與其為了讓 CPU 獲得更高的單線程基準(zhǔn)測試分?jǐn)?shù)（俗稱“跑分”），搭載一個頻率更高的大核心，不如用兩顆頻率略微降度的大核心，來獲得實際使用中更快的響應(yīng)速度。

“（Google Tensor）單核性能比上一代產(chǎn)品快 80%；GPU 性能比上一代產(chǎn)品快 370%。用戶經(jīng)常最關(guān)心這些紙面數(shù)據(jù)，但對我們來說，這從來不是真正的重點”。Carmack 解釋道：現(xiàn)實使用場景并不會像跑分一樣，往往需要面臨復(fù)雜得多的性能調(diào)度場景：比如在你打開相機(jī)準(zhǔn)備拍照時，SoC 中的 CPU、GPU、ISP，以及 Google 自研的 TPU 都會被調(diào)度起來各司其職；這些硬件結(jié)合起來所發(fā)揮出的效能，才是決定最終你【拿起手機(jī) - 拍照 - 成像】速度的真正因素。

使用兩顆降低頻率的 X1 大核，去計算以往需要兩顆 A76 中核來完成的工作，進(jìn)而更加高效的完成以往需要更多時間來完成的計算。這種“田忌賽馬”一樣的技巧，之所以之前并沒有其他手機(jī)廠商可以效仿，原因正是因為處于產(chǎn)業(yè)鏈下游的手機(jī)品牌，其實在成本限制下，很難去依照自家系統(tǒng)/功能的性能需求對包括手機(jī) SoC 在內(nèi)的硬件量身定制。

即便 Google Pixel 系列一直是手機(jī)計算攝影領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，但從 2017 年發(fā)布的 Pixel 2 開始，連續(xù)四代 Pixel 手機(jī)都采用了同一顆 1200 萬像素的傳感器作為主攝配置；原因并非 Google 不舍得換新傳感器芯片，而是基于新硬件重新訓(xùn)練算法成本太高，最終實現(xiàn)效果甚至不及現(xiàn)有的傳感器。

自那之后，Google 每年在介紹 Pixel 新機(jī)在影像功能上的重點時，重點都只有一個 —— 計算攝影：從 Pixel 2/3 依靠單攝實現(xiàn)的“人像模糊”、Pixel 4 時代的“天文攝影模式”，到 Pixel 5 能給人像照片后期手動補(bǔ)光的“人像光”，每一次 Pixel 相機(jī)加入新功能，都是 Google 在計算攝影領(lǐng)域的一次新突破。

但僅憑計算攝影的算法進(jìn)化，開發(fā)團(tuán)隊還是很快碰到了幾乎難以逾越的硬件天花板：雖然 Google 能通過計算攝影算法讓四代 Pixel 在同樣主攝傳感器下每年都能有新提升，但同樣的“魔法”卻不能直接套用在視頻拍攝部分上：因為手機(jī)端較弱的算力，無法支持借助機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)的曝光堆疊算法在視頻拍攝下同樣使用。這也是過往使用高通 SoC 的 Pixel 手機(jī)視頻拍攝質(zhì)量并不算太優(yōu)秀的原因。

而到 Google Tensor 的硬件上，Pixel 團(tuán)隊終于可以在針對性的定制硬件上來運行更多計算攝影所能實現(xiàn)的效果：作為本次新視頻錄制算法 —— HDRNet 的一部分，Google 通過在 Tensor 中整合的計算單元，不僅實現(xiàn)了在?4K60FPS 視頻錄制時應(yīng)用 HDR 效果，還解決了視頻拍攝過程發(fā)熱嚴(yán)重的問題：以往只能拍攝 4-5 分鐘，到 Pixel 6 系列上則可以至少拍攝 20 分鐘。

終極解決方案

其實在 Google Tensor 之前，Google 在給智能手機(jī)設(shè)計芯片這件事上，也走過類似當(dāng)前小米/vivo 的階段：如今負(fù)責(zé)研發(fā) Tensor 的團(tuán)隊，其實早已在之前的 Pixel 手機(jī)中以加入?yún)f(xié)處理器的方式，來針對性提升手機(jī)某一部分的效能。

比如 Pixel 2/3 時代用于提升計算攝影/HDR+ 算法處理速度的 Pixel Visual Core、Pixel 4 上的迭代版 Pixel Neural Core，以及貫穿始終的 Titan M 系列安全芯片，都是 Google 在涉足 SoC 芯片之前的嘗試，到 Google Tensor 最終得以在 Pixel 6 系列上實際應(yīng)用，這些原本都需要占用額外主板空間的協(xié)處理器，都能以一種更加高效的方式進(jìn)一步整合進(jìn) SoC 之中。

過去，在 Pixel 5 中加入“環(huán)境光”功能之后，Google 就已經(jīng)在技術(shù)博客中吐槽“讓手機(jī)算力支持實現(xiàn)照片后期所需的算力，是一件很頭疼的事”，Google 不得不重新訓(xùn)練模型，讓補(bǔ)光算法能在搭載高通驍龍 765G 的 Pixel 5 上正常使用。

不只是算力不足，在 Google 開發(fā)團(tuán)隊眼中，現(xiàn)有 Pixel 手機(jī)一直使用的高通驍龍 SoC，從架構(gòu)到功能，都不足以滿足 Pixel 各種 AI 應(yīng)用場景的使用需求， 可以說是“積怨已久”。

同理，隨著量身定制的硬件提升 Pixel 6 上也加入了很多 AI 帶來的效率提升：比如 Pixel 6 中識別準(zhǔn)確率與速度都有大幅提升的離線語言轉(zhuǎn)文字功能，就是 Google 借助機(jī)器學(xué)習(xí)，將已經(jīng)構(gòu)建完畢的語音識別模型預(yù)制在手機(jī)內(nèi)存中，使用 Google Tensor 內(nèi)建的 TPU 模組，實現(xiàn)比傳統(tǒng)算力更加高效的識別效果 ；實時翻譯功能也不再局限于翻譯 App 內(nèi)，被整合進(jìn)更多應(yīng)用中。

如今，隨著計算攝影在更多手機(jī)廠商的嘗試逐漸成熟，曾經(jīng)困擾著 Google 的問題，也成為越來越多手機(jī)廠商的共識：為軟件功能量身定制硬件，反過來進(jìn)一步提升軟件的運行效率，或許才是未來在手機(jī)端更現(xiàn)實的解決方案。

小米與 vivo 在 ISP 芯片領(lǐng)域的嘗試，不是為了紙面性能或跑分測試的優(yōu)劣，而是為了滿足各自獨特的需求而定制：就像 Google 在 Tensor Chip 誕生之前為 Pixel 研發(fā)的數(shù)款協(xié)處理器一樣。

雖然定制 SoC 對于大部分手機(jī)廠商來講仍然是極其燒錢的行為，但通過定制 ISP 等協(xié)處理器的方式，同樣能打破如今智能手機(jī)體驗“同質(zhì)化”、連拍攝效果都要以跑分定勝負(fù)的現(xiàn)狀，給用戶帶來更多不同的體驗。只要這條路被證明行之有效，就會有越來越多的廠商效仿，加入到自研處理器的行列中。

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