元宇宙背后的芯片機(jī)會(huì)

　　從去年下半年開(kāi)始，元宇宙的概念可謂是科技行業(yè)的一個(gè)最大熱點(diǎn)，各大科技公司均紛紛宣布大力布局元宇宙。目前，普遍認(rèn)為AR/VR將會(huì)成為元宇宙的重要入口，因此也成為了各大公司大力投資的領(lǐng)域。AR/VR硬件領(lǐng)域，F(xiàn)acebook的Quest系列已經(jīng)成為全球最受歡迎的VR設(shè)備，而中國(guó)的巨頭如字節(jié)跳動(dòng)和騰訊在最近也有大的投資，其中字節(jié)跳動(dòng)收購(gòu)了中國(guó)公司中市場(chǎng)占有率最高的VR設(shè)備廠商Pico，而騰訊也在最近收購(gòu)了黑鯊，將專(zhuān)注于VR硬件設(shè)備。AR硬件領(lǐng)域，去年下半年雷朋和Facebook攜手推出了第一款面向大眾的智能眼鏡Ray-ban Stories，中國(guó)的華為等公司也紛紛推出概念原型機(jī)，而隨著蘋(píng)果的高端AR/VR設(shè)備預(yù)計(jì)在2022或2023年發(fā)布，預(yù)計(jì)未來(lái)AR硬件也將走上快速成長(zhǎng)的道路。

　　ARVR硬件的性能對(duì)于能夠支撐的用戶體驗(yàn)極為關(guān)鍵，而其中的芯片也就成為賦能其硬件性能的核心部件。目前，在ARVR市場(chǎng)上，最主要的供貨商毫無(wú)疑問(wèn)是高通，其Snapdragon XR系列成為了目前幾乎所有VR設(shè)備的選擇，而在去年年底的高通投資日上，高通CEO Cristiano Amon也著重強(qiáng)調(diào)了ARVR(XR)市場(chǎng)將成為高通未來(lái)最關(guān)鍵的發(fā)力方向之一，并且預(yù)計(jì)目前相關(guān)芯片在2021年已經(jīng)出貨達(dá)到千萬(wàn)數(shù)量級(jí)。而在今年早些時(shí)候，高通也和微軟在CES 2022上正式發(fā)布了在AR領(lǐng)域的合作計(jì)劃，其中微軟和高通將共同開(kāi)發(fā)定制化的Snapdragon芯片用于AR眼鏡中，其中將進(jìn)一步包括對(duì)于微軟Mesh平臺(tái)和高通Snapdragon spaces這兩大AR開(kāi)發(fā)平臺(tái)的支持。

　　從去年到今年的動(dòng)態(tài)來(lái)看，ARVR芯片市場(chǎng)正處于高速增長(zhǎng)的階段，而目前高通在這個(gè)市場(chǎng)上幾乎處于壟斷地位。但是，隨著該市場(chǎng)規(guī)模的進(jìn)一步增長(zhǎng)，一定會(huì)有更多的芯片廠商進(jìn)入該市場(chǎng)。

　　ARVR芯片的技術(shù)門(mén)檻

　　ARVR芯片的技術(shù)門(mén)檻決定了有多少芯片公司能進(jìn)入該市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。我們不妨從VR芯片技術(shù)開(kāi)始分析。

　　首先，從架構(gòu)上來(lái)說(shuō)，VR芯片的架構(gòu)基本和其他智能設(shè)備的SoC類(lèi)似，由一個(gè)處理器(AP)來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)并且掌控整體硬件的操作。因此，VR芯片首先需要擁有一個(gè)較強(qiáng)的處理器，但是這一點(diǎn)目前來(lái)說(shuō)并非高不可攀——ARM的高性能處理器IP的使用和集成已經(jīng)成為大多數(shù)SoC廠商的標(biāo)準(zhǔn)操作，因此我們認(rèn)為VR芯片中的處理器并非是一個(gè)難以跨越的門(mén)檻。

　　在VR SoC的眾多IP中，最重要的決定用戶體驗(yàn)的IP就是負(fù)責(zé)渲染和顯示的GPU。目前，VR設(shè)備的主要應(yīng)用還是游戲，而幾乎所有的VR游戲都是3D圖像(因?yàn)?D圖像能給用戶提供最好的沉浸感體驗(yàn))，因此GPU的性能就決定了這些3D游戲的多邊形數(shù)量和渲染效果。目前的VR游戲的3D圖像質(zhì)量大約相當(dāng)于10年前的PC和主機(jī)游戲，因此隨著VR游戲市場(chǎng)的擴(kuò)大和生態(tài)的形成，游戲圖像質(zhì)量將會(huì)成為主機(jī)之間競(jìng)爭(zhēng)的核心指標(biāo)，而這也將推動(dòng)對(duì)于VR芯片中GPU渲染能力的需求。與桌面級(jí)GPU不同的是，VR芯片中的GPU必須考慮能效比，因?yàn)槟壳爸髁鞯腣R設(shè)備都是依靠電池來(lái)供電，因此能效比將決定VR設(shè)備的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)也需要保證VR設(shè)備散熱沒(méi)有問(wèn)題。

　　除了游戲圖像質(zhì)量之外，VR設(shè)備中用戶體驗(yàn)的一大需求就是分辨率。目前VR設(shè)備中一個(gè)重要的被用戶體驗(yàn)問(wèn)題就是屏幕分辨率不夠所產(chǎn)生的“紗窗效應(yīng)”(即用戶看到的圖像好像隔了一層紗窗)，因此VR設(shè)備對(duì)于4K甚至更高分辨率的需求更甚于手機(jī)。因此，我們預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中VR設(shè)備的屏幕分辨率也將是各大廠商競(jìng)相追逐的目標(biāo)，這也需要VR芯片的GPU能有足夠的性能來(lái)支持高分辨率的屏幕。

　　在GPU之外，VR芯片中另一個(gè)最重要的IP當(dāng)屬人工智能加速器。與傳統(tǒng)手機(jī)中不同，VR設(shè)備中的眾多交互都需要人工智能的介入。舉例來(lái)說(shuō)，VR設(shè)備一個(gè)重要的需求就是設(shè)備和用戶的定位和追蹤，并且把這個(gè)信息融合到游戲的虛擬環(huán)境中，這就需要使用人工智能中的SLAM技術(shù)才能高質(zhì)量地實(shí)現(xiàn)。另外，目前VR設(shè)備中，交互越來(lái)越多地使用手部追蹤和眼部追蹤等先進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自然的交互，而這些追蹤都需要使用人工智能模型，而且隨著追蹤精度的增加，模型需要的算力也在上升。最后，人工智能也是一個(gè)解決GPU渲染能力瓶頸的重要技術(shù)。屏幕分辨率上升和用戶對(duì)于圖像質(zhì)量的追求給GPU很大的壓力，但是事實(shí)上用戶在同一時(shí)間并不會(huì)注意到屏幕上所有的像素點(diǎn)，而只會(huì)關(guān)注他們眼睛聚焦地方附近的像素點(diǎn)。因此，一個(gè)技術(shù)解決方案就是選擇性渲染(foveated rendering)，即使用眼部追蹤技術(shù)結(jié)合人工智能模型來(lái)判斷用戶眼睛聚焦的位置并且在相應(yīng)的地方做高質(zhì)量渲染，而在用戶關(guān)注不到的地方則可以降低渲染質(zhì)量，從而減輕GPU的壓力。目前，該技術(shù)已經(jīng)使用在了Sony的PSVR2中，未來(lái)可望會(huì)用到更多的VR設(shè)備中。

　　從上面這些分析中，我們可以看到VR設(shè)備中的人工智能甚至比起在手機(jī)中更重要，因?yàn)檫@些人工智能模型首先是賦能用戶體驗(yàn)重要特性的關(guān)鍵，同時(shí)也必須實(shí)時(shí)運(yùn)行在VR設(shè)備中，而難以依靠云技術(shù)。這些人工智能模型的復(fù)雜度決定了VR芯片上必須有一個(gè)足夠強(qiáng)力的人工智能加速器，同時(shí)擁有強(qiáng)算力和很好的能效比，才能支持這些應(yīng)用。

　　除了GPU和人工智能之外，無(wú)線連接也是VR芯片中較為重要的部分。對(duì)于一些高質(zhì)量游戲，目前的主流做法是讓游戲運(yùn)行在桌面計(jì)算機(jī)上，同時(shí)把圖像通過(guò)串流(stream)的方式傳送給VR設(shè)備，而這也就需要穩(wěn)定和高速的WiFi連接。

　　今天來(lái)看VR芯片的需求和門(mén)檻已經(jīng)較為明確，而相對(duì)而言AR芯片還處于較早期。與VR相比，AR眼睛無(wú)需連續(xù)運(yùn)行大量的圖像渲染，但是需要能實(shí)現(xiàn)全天候佩戴，而且對(duì)于重量有非常嚴(yán)格的需求(例如重量與一般的墨鏡相當(dāng))，這就進(jìn)一步限制了眼睛上的電池容量，因此對(duì)于芯片來(lái)說(shuō)會(huì)需要更進(jìn)一步做低功耗優(yōu)化。無(wú)論從Magic Leap還是微軟的Hololens來(lái)看，AR圖像渲染也是AR眼鏡中一個(gè)極其重要的用戶體驗(yàn)，因此對(duì)AR芯片的GPU將是一個(gè)挑戰(zhàn)，即如何平衡渲染能力和功耗。人工智能也是類(lèi)似，AR眼鏡也需要對(duì)用戶做SLAM，并且也需要支持手部追蹤這樣的交互，因此我們認(rèn)為AR芯片可以認(rèn)為是更低功耗版的VR芯片。

　　ARVR芯片與中國(guó)

　　目前，ARVR芯片主要還是高通占絕對(duì)的領(lǐng)先地位，但是隨著ARVR市場(chǎng)的進(jìn)一步成熟，我們認(rèn)為中國(guó)的芯片公司有相當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)。

　　我們認(rèn)為，ARVR芯片的基本架構(gòu)與智能手機(jī)芯片類(lèi)似，只是其中的IP的性能需求和重要性與智能手機(jī)芯片略有不同。例如，蜂窩網(wǎng)絡(luò)modem是智能手機(jī)芯片中的絕對(duì)核心，同時(shí)也是中國(guó)芯片行業(yè)花了非常久時(shí)間才逐漸追上的領(lǐng)域，但是在ARVR中蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并非必選項(xiàng);相反，ARVR芯片中最關(guān)鍵的AP、GPU、人工智能加速等IP中國(guó)的芯片公司都已經(jīng)有相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，因此我們認(rèn)為從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，只要中國(guó)的芯片公司能夠和相關(guān)的ARVR設(shè)備公司合作來(lái)深入理解芯片的具體需求，我們對(duì)于中國(guó)芯片公司能在未來(lái)幾年內(nèi)進(jìn)入ARVR領(lǐng)域持樂(lè)觀態(tài)度。

　　另一個(gè)角度來(lái)看，由于ARVR芯片對(duì)于芯片的功耗和能效比有很強(qiáng)的需求，因此先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝將會(huì)對(duì)于這類(lèi)高能效比芯片有很大幫助，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)都會(huì)使用最新的半導(dǎo)體工藝(7nm及以下)來(lái)制造。從這一點(diǎn)上中國(guó)的半導(dǎo)體制造還需要進(jìn)一步追趕才能從ARVR芯片的發(fā)展中獲得收益，其中不僅僅包括半導(dǎo)體芯片制造工藝，還包括高級(jí)封裝這類(lèi)能從另一個(gè)維度提高整體系統(tǒng)能效比的核心技術(shù)。