蘋果晶片的發展路徑預測 | 半導體行業觀察
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。
蘋果於近日召開了手機和手錶釋出會。按照蘋果“一年新品，一年改良”的作風，在繼去年釋出了引領風潮的iPhone X後，今年蘋果在釋出會上釋出的產品主要是去年的改良版本。雖然並沒有太多驚喜，但是我們仍然能看到蘋果產品背後的邏輯，並預測相關晶片技術的發展路徑。
感測器加時尚——蘋果可穿戴裝置的核心壁壘
釋出會上首先發布了Apple Watch 4。不得不說，Apple Watch系列是可穿戴裝置中時尚感最強的，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。
在這次釋出的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於感測器的使用。首先，Apple Watch 4中使用了下一代加速度感測器，將加速器感測的動態範圍提高到了原來的兩倍，最高加速度可以測到32g，此外，取樣速度也提升到了原來的8倍。採用加強版的加速度感測器，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。
除了升級的加速度感測器之外，Apple Watch 4另一個亮點是心電圖ECG感測器。在上一代手錶中已經包含了使用LED做心率感測器，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功能實現是由錶盤底部和錶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，而另一隻手的手指放在錶冠上持續30秒，在這30秒內ECG感測器電極會發射微電流並檢測返回訊號，從而完成ECG的測量，並把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中的感測器目前主要還是針對熱愛運動的人群，加速度感測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。在未來的人體感測器中，最重要的一個特點就是能實現持續測量並獲得連續訊號，這也將是未來精確化醫療的重要條件。
在釋出會上，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訊號往往並不發生在就診時，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訊號持續測量的雛形，至少可以在任何時刻使用者都可以主動開啟測量過程而無需去醫院並將ECG資料記錄下來，從而能夠幫助醫生診斷。
Apple Watch 4的感測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中感測器成分的重要舉措。要知道之前Apple Watch的定位是一個時尚手錶搭配個人助手，能完成簡單的通話、簡訊等輔助功能，感測器並非其最大的賣點。但是隨著其他公司的可穿戴裝置逐漸跟上，Apple Watch必須樹立起除了設計精美之外的其他競爭壁壘，而感測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感測器的針對人群從運動人群推廣到更多的普羅大眾，讓更多人能享受感測器帶來的便利。在Apple Watch 4釋出之後，預計我們也會看到市面上出現許多跟隨者釋出擁有類似感測功能的行動式裝置，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後真正來臨。
A12 Bionic處理器部分：中規中矩的繼承者
本次釋出會中，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。本次蘋果釋出的A12 Bionic可謂中規中矩，是繼華為之後第二個釋出7nm手機晶片的公司。A12總共包含60多億個電晶體，集成了6核CPU以及4核GPU。在6核CPU中，有兩個是“效能核心”（類似ARM架構中的大核），在執行遊戲等場合提供高效能；另外四個是“能效核心”（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。
相對於上一代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%。在這裡我們可以看到隨著半導體工藝進步，使用7nm的處理器速度相對於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節點對於效能的幫助已經很有限了（尤其是15%的效能提升中還包括了晶片設計改進帶來的提升），而對於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。
隨著人工智慧的概念大熱，AI已經接著這股東風進入了手機，如華為與去年秋天就釋出了第一款以人工智慧為賣點的手機。然而，目前大熱的AI最主要還是一種工具，例如可以從大資料中提取規律，從影象中識別特定物體等等，而手機目前來說並不缺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搬到手機的效果並不能算太好，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、智慧場景識別、智慧任務管理等等，這些特性屬於錦上添花，但是很難說有消費者會衝著這些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於攝像頭的AR應用，而AI則能作為賦能者帶來獨一無二的玩法。在釋出會上蘋果演示了多個AR+AI的例子，其中最有趣的App是Home Court，可以幫助使用者在打籃球時通過攝像頭自動識別投籃的型別、手臂角度、跑動速度、投籃角度等等，並將這些資訊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後則是複雜的AI演算法，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資訊入口在日常真實場景中疊加額外資訊（例如識別出場景中的商店名並上網搜尋實時將大眾點評上的評分顯示在商店上，這其實和釋出會上蘋果演示的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彷彿他就在你身邊），還可以作為遊戲的新型別。可以說AR大概就是2007年的觸控式螢幕——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，對於AR的硬體支撐除了CPU、GPU做渲染之外主要就是Neural Engine和影象處理ISP。如前所述，蘋果的AR背後需要AI演算法的支援，因此蘋果放上了8核neural engine模組，能實現5TOPS的神經網路相關高速計算，完成演算法的實時演算。相比上一代A11中neural engine的0.6TOPS快了8倍不止，可見蘋果對於AR+AI的決心。此外，ISP也非常重要，如執行雙攝像頭相關演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：再下一代蘋果手機晶片將會如何發展？
從我們之前的分析中，我們可以發現蘋果對於未來的佈局重心在於AR上。根據這樣的結論，我們可以預測再下一代蘋果手機晶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的效能提升可能不會太多，主要集中在功耗的優化上。為了滿足應用的效能需求，硬體上更有可能做的是在SoC上整合專用計算單元，而非強行提升CPU／GPU的效能。
此外，ISP作為AR相關的重要模組，可能會有新的模組和功能加入。例如為了實現AR中需要的定位、位置關係建模等，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組。事實上Nvidia用於自動駕駛的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組。
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倍這麼多，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、網路壓縮等高效計算特性。
AR方面另一個可能的需求是感測器。為了實現手勢識別和場景三維建模，在手機的背部安裝ToF感測器將是最好的選擇，而iPhone下一代在背部安裝ToF感測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，慣性感測器也可能得到更新換代。