應用處理器運算效能躍增　智慧手機開創視覺新饗宴

2016年智慧型手機將更加「吸睛」。今年初的國際消費性電子展(CES)上，中國大陸視頻網站公司樂視發布了首支採用高通(Qualcomm)Snapdragon 820處理器的全新旗艦級智慧型手機—樂Max Pro，成為各界目光焦點。

Snapdragon 820處理器為高通迄今為止推出的最先進行動處理器，具備突破性連接技術、全新功效和性能，以及令人驚豔的圖形及攝影鏡頭功能，期為用戶提供最高滿足感的智慧型體驗，是高通2016年針對行動裝置市場強打的主力產品。

圖1 集邦科技旗下拓墣產業研究所半導體產業分析師陳穎書表示，智慧型手機同質性高，促使手機大廠投入自製處理器研發。

市場調研機構集邦科技旗下拓墣產業研究所半導體分析師陳穎書(圖1)表示，近年來行動處理器的同質性愈來愈高，高通為突顯其產品差異並保持領先地位，相當積極研發新的技術，像是Snapdragon 820即加入虛擬實現(Virtual Reality)和自我學習(Self Learning)的功能。

陳穎書進一步說明，自我學習的功能是指智慧手機可以辨識照片中人、事、物的特徵，在手機中自我分類，使用者如果要找特定東西，可利用搜尋功能立即找到相關圖片。這種功能的實踐須仰賴運算能力更好的處理器，以支援相關演算法計算。

Snapdragon 820處理器中除了整合支援Cat. 12規格的X12 LTE數據機，可讓樂Max Pro實現高達600Mbit/s的下載速度，帶來更快的行動聯網體驗，另一受人矚目的特點則在於影像和視覺處理能力的提升。

Snapdragon 820強打視覺功效

Snapdragon 820結合了高通首款客製化設計的64位元四核心Kryo中央處理器(CPU)，與前一代處理器相比，可帶來高達兩倍的性能和功效提升；此外，Snapdragon 820還內建高通全新的Hexagon 680數位訊號處理器(DSP)，可滿足超低功耗且常時啟動(Always-on)的感測器，以及低功耗影像處理需求，分擔CPU的處理負荷，進一步顯著提升系統性能與電池續航能力。

陳穎書分析，現階段除了蘋果(Apple)之外，其他如高通、聯發科、海思等行動處理器製造商的處理器架構都是授權自安謀國際(ARM)，彼此的差別只在於授權架構的程度多寡，有的授權到核心(Core)，有的授權到程式碼，有的授權到電路的等級，因此很容易出現同質性的狀況。不過，高通Snapdragon 820中所採用的Kryo CPU，僅向ARM授權指令集部分，因此自製的比例相當高，為的就是提高產品的差異性。

在繪圖處理器(GPU)方面，整合於Snapdragon 820處理器的Adreno 530 GPU亦是高通自行研發的核心，可支援目前最先進的圖像功能，在圖形性能和計算能力上較先前Adreno 430版本提升40%的表現，從而實現沉浸式視覺感官新體驗，為遊戲機品質等級的電玩軟體和下世代虛擬實境應用軟體提供更逼真的繪圖效果。

不僅如此，Snapdragon 820還整合先進的Spectra相機影像訊號處理單元(Spectra Camera ISP)，可支援最新14位元影像感測器、混合自動對焦及多重感測融合演算法，因而能擷取更寬廣範圍的顏色並擁有運算攝影(Computational Photography)能力。此外，Snapdragon 820中的Hexagon 680 DSP還具備Hexagon向量擴展(Hexagon Vector eXtensions)演算法，可支援先進影像和電腦視覺處理。

VR/AR應用興起　推升處理器視覺效能升級

高通之所以在Snapdragon 820處理器加入這麼多視覺強化技術，最主要原因無非是迎合未來影像功能在智慧型手機中將愈來愈被突顯的發展趨勢。其中，虛擬實境和擴境實境(Augmented Reality)等先進視覺效果，更是主要發展目標。

高通資深行銷經理Adam Kerin表示，虛擬實境的觀看情境下，顯示器只在眼睛前方幾公分的距離，因此螢幕上的畫素會變得非常清楚，而產生所謂的「紗窗效應(Screen-door Effect)」，所以須要利用Snapdragon 820這樣的處理器，來達到超高畫質(Ultra HD)解析度，而Adreno 530 GPU則能讓每個畫素都呈現最佳的品質。

另外，在一些虛擬實境的影像情境中，例如模擬觀賞者走在一條懸空拉緊的繩索上時，若能模擬出他低頭看腳時的影像，勢必能達到更棒的沉浸效果；此時，Snapdragon Spectra ISP所擁有的運算速度及效能，即可實現這樣的電腦視覺體驗。

除了可以提供虛擬實境所需要的畫質外，另外一個對於虛擬實境應用很重要的就是時延特性。時延主要指的是當頭部做出動作，感測器捕捉動作，再到智慧手機將這一動作渲染到螢幕上的回應時間。如果延時超過10∼15毫秒，用戶就比較難接受，會破壞虛擬實境體驗，甚至帶來暈眩感。所以虛擬實境的應用中，時延也很重要，一方面需要有很高的畫素，另外一方面需要超快的回應速度。

事實上，除高通已發布支援虛擬實境運算功能的Snapdragon 820處理器外，三星電子(Samsung Electronics)日前發布的新一代64位元八核心行動處理器--Exynos 8 Octa 8890，也首度支援虛擬實境應用，與高通互別苗頭。

據了解，Exynos 8 Octa 8890處理器由八個高效核心組成，分別為四個三星客製化核心加上四個ARM Cortex-A53核心，可支援異構多工技術(Heterogeneous Multi-Processing, HMP)。與先前的Exynos 7 Octa相比，Exynos 8 Octa 8890效能提升30%且省電10%。另一方面，Exynos 8 Octa內建ARM最新的Mali-T880圖形處理器，可滿足圖形化使用者介面及虛擬實境等3D遊戲應用需求。

人臉辨識漸受重視　GPU角色日益吃重

處理器視覺運算效能不斷進化的背後驅力，除了虛擬實境和擴增實境等影像模擬應用日趨火熱外，人臉辨識亦是不容忽視的另一股力量，尤其是近期蘋果傳出收購美國新創公司Emotient，跨足人臉表情與情緒辨別技術領域，勢將使得GPU在處理器中扮演更重要的角色。

圖2 安謀國際移動通訊暨數位家庭資深市場經理林修平指出，深入學習和人臉辨識等應用興起將使GPU的角色愈來愈重要。

安謀國際(ARM)移動通訊暨數位家庭資深市場經理林修平(圖2)表示，行動處理器中的GPU未來的功耗和效能會越來越好，現在4K的內容和顯示器已越來越普遍，所以對於GPU的效能或功耗都是非常大的挑戰，為支援4K影像的應用，GPU性能一定要能支援4K或4K以上，有些要做虛擬實境或是更高階的應用，性能就須再向上攀升。

另外，用GPU來做運算的發展趨勢也愈來愈明顯，現在已經慢慢看到這樣的應用出現。林修平進一步指出，有些DSP的演算法可以做平行化處理，這樣的演算法用GPU來運算會比用CPU效能更好且更有效率，像是深度學習(Deep Learning)和人臉辨識，這也是ARM看到未來有潛力的應用。

人臉辨識的功能2015年就已有一些裝置展示，而這只是一個開端，類似的應用未來會越來越多。除了人臉辨識，語音辨識也會慢慢出現；以往手機都是按密碼解鎖，未來使用者只要對手機說話或者看著手機，就可以透過聲紋或臉部特徵辨識自動解鎖。

林修平解釋，人臉辨識的演算法可以平行化處理，因為它是用神經網絡的方式來做運算，所以可以把演算法同時丟到好幾顆運算單元做處理，GPU就是有這樣的特性，可以同時處理很多的工作。

事實上，ARM目前正戮力推動的異質系統架構(HSA)，即有助未來人臉辨識等先進視覺應用的發展。林修平分析，GPU和CPU的特性不一樣，CPU處理速度快，具有即時處理的能力，而GPU處理速度相對較慢，但它可以同時處理大量的運算。上述的人臉和語音辨識，或者影像編解碼串流，就很需要大量平行化處理，此時用GPU來做會比較有效率。所以這些應用也將驅動HSA持續演進。

針對此一發展，ARM除可提供CPU和GPU的矽智財(IP)，以及相關的軟體或驅動程式(Driver)給客戶外，亦可協助客戶進行上層應用的整合。

除了智慧型手機處理器廠積極強化影像與視覺處理功效外，感測器開發商也卯足全力研發新一代感測方案，期協助手機製造商打造更智慧化的情境感知應用功能，進而吸引更多消費者目光。

多元感測技術加持　智慧手機更有「感」

舉例來說，英飛凌(Infineon)一方面持續精進既有的微機電系統麥克風(MEMS Microphone)、壓力感測器(Pressure Sensor)和光學感測器(Optical Sensor)等產品性能外，另一方面也加緊研發新一代雷達感測(Radar Sensor)技術，以厚實環境感測器產品組合，滿足智慧型手機設計需求。

圖3 右起為英飛凌電源管理及多元電子事業處射頻及感測元件資深行銷經理潘哲源、射頻及感測元件經理吳柏毅、射頻及感測元件行銷經理鍾至仁。

英飛凌電源管理及多元電子事業處射頻及感測元件經理吳柏毅(圖3中)表示，雷達感測是利用手形辨識的方式做遙控，與動作感測技術的手形辨識大不相同。該技術是利用雷達波接收反射波的訊號演算與計算出手勢變化，即便在黑暗中亦可判斷手勢動作；相較於光學式感測是利用手在移動時產生光的落差去驗算手形，在精細度上具有極大的差異。

英飛凌電源管理及多元電子事業處射頻及感測元件資深行銷經理潘哲源(圖3右)補充，雷達感測最大的優勢就是可以測量距離與物體移動方向，因此大多用於汽車以及行動裝置。他也指出，雷達感測的另外一項特色是可穿透很多不同的物體，而依據系統不同的配置，如硬體加上放大器和演算法的不同，會影響系統傳輸的距離以及穿透能力。

據了解，英飛凌去年已發布與Google攜手合作「Project Soli」的雷達感測技術。該計畫是英飛凌基於60GHz的收發器技術，同時整合RF收發器、天線和控制電子於單一封裝，未來可適用於手機與穿戴裝置的應用。吳柏毅透露，目前已有和幾家廠商合作積極投入研發，期望在不久的將來會正式推出相關產品。

另一方面，MEMS麥克風感測器的使用量隨著行動裝置的出現有了爆發性成長，尤其是在中高階智慧型手機的成長更為快速。潘哲源觀察，目前中國品牌的中高階智慧手機大多都配置二至三顆的MEMS麥克風；預計2016年年初高階手機將全面升級三顆MEMS麥克風，而中階手機部分依舊會以二顆麥克風為主。

吳柏毅認為，從整體供應鏈來看，MEMS麥克風感測器數量增加勢必成為趨勢，尤其是高階的部分；以消費者的角度出發，效能的要求只會有增無減，因此也呼應到麥克風差異化的特性，麥克風的供應商必須增加不同功能才能吸引消費者購買產品。

潘哲源表示，MEMS麥克風有兩個最大的技術挑戰，其一是降低風的雜聲；其二是錄製音質。因應上述難題英飛凌的處理方式是在麥克風的隔膜(Diaphragm)上鑽孔，透過孔設計的大小可調整50∼100Hz的聲音，可選擇性刪除雜訊。至於錄製音質的問題，則是使用Double Backplate的技術，在MEMS製造上打造雙層薄膜，利用震動距離產生電容的差別轉成聲音的數據，相較於過去麥克風製造只用單層薄膜，英飛凌的Double Backplate技術可直接克服無法錄製高頻聲音的難題。

顯而易見的，智慧型手機的競爭日益劇烈，手機廠無不汲汲尋求更具差異化的功能，因此晶片廠亦不斷開發更高效能的處理器，以及多樣化的感測器，同時提升產品性價比，以進一步滿足手機廠要求。