OPPO自研芯片大冒险：有钱有人还有耐心

文︱ 王树一

图︱ OPPO、网络

在2021未来 科技 大会（OPPO InnoDay 2021）上，OPPO隆重推出首款自研芯片马里亚纳 X（MariSilicon X）影像专用NPU（神经网络处理器），这是OPPO自研芯片“深海计划”的第一个里程碑。

该芯片采用应用领域专用架构（DSA），对影像处理做出极致优化，内部集成ISP位宽达到20位，高通骁龙一代（ISP位宽为18位）等竞品，实现了目前手机处理影像单元的最高位宽，高位宽ISP带来高动态范围，从现场演示的马里亚纳 X 4K视频处理效果来看，与当前旗舰机型相比，效果有显著提升。

与传统手机影像处理算法在RGB域或YUV域不同，马里亚纳 X将影像处理算法提前至原始数据域（即RAW域），在RAW域处理，能有效避免信息损失，实现无损处理，根据OPPO提供的测试结果，相比传统方法，马里亚纳 X在RAW域处理能带来额外8dB信噪比提升；在图像传感器处理环节，马里亚纳 X支持RGBW Pro模式，实现了对RGB和W通道的分隔处理，最大化每一种像素特性，释放了RGBW矩阵的潜力，在图像传感器尺寸不变的情况下，与传统方法相比，可以提升8.6dB信噪比，解析力也提升1.7倍。

具体到计算能力，采用自研AI计算单元的马里亚纳 X，最高算力达到18TOPS，移动设备对于功耗的要求其实比性能还要严苛，因此OPPO芯片研发团队对该芯片的功耗做了大量优化工作，使其能效比达到11.6 TOPS/W，同样也是业界领先。

OPPO透露，马里亚纳 X采用台积电6纳米工艺，已经完成量产准备工作，将于2022年一季度首发于OPPO新一代Find X系列手机中。

从三年百亿开始

近年来，手机功能创新主导权已经从主芯片公司向整机厂转移，只有具备与大规模终端用户的直接沟通渠道，才能了解市场上真正需要什么，主芯片公司在这方面劣势越加明显，而整机厂自己开发芯片的需求也越强烈，有苹果和华为的成功案例在前，国内手机大厂不乏跃跃欲试者。

但随着手机功能越来越复杂，作为最核心元器件的手机主处理器（SoC）开发难度越来越高。目前旗舰手机处理器均采用当前可用到的最先进工艺，集成晶体管数量超过百亿个，要数千名工程师通力协作两年以上时间才能完成，仅把设计文件提交给晶圆代工厂去制造的流片费用就高达数千万美元，再加上IP购买、工具设备投入、专利授权等费用，从概念提出到正式量产，一款旗舰手机处理器芯片研发成本不低于造车，没有百亿投入最好不要想。

OPPO表示投入的3年500亿并不完全是花在芯片领域，但假设三分之一投入到芯片自研上，至少这个投入量级是对的，旗舰手机芯片研发是碎钞机，三年没有百亿投入，研发出来的产品基本不能用，这样的投入还不如不投入。

在本次发布会上，陈明永表示：“马里亚纳 MariSilicon X只是OPPO自研芯片的一小步，OPPO未来会持续投入资源，用几千人的团队，去脚踏实地做自研芯片。”

OPPO创始人兼首席执行官陈明永

OPPO自研芯片的冒险之旅

在马里亚纳 X发布环节和受访时，OPPO 芯片产品高级总监姜波一度接近哽咽，非常激动。“我们的建团的时间非常短，切入点又很陡峭，坦白说难度非常高，团队每个成员从一开始就承担了极大压力，”姜波说，“我们招的都是经验丰富的人才，如果现做一颗平庸的产品练手整合团队，相对还比较容易。但MariSilicon X，从核心IP到整个芯片前端、后端，包括软件、硬件，全部采用自研方式开发，这是非常大的挑战，理念上又追求极致，2019年我们去定规格设的目标非常高，哪怕到今天最顶级的SOC还做不到（注：指ISP位宽）。”

OPPO 芯片产品高级总监姜波

姜波表示，OPPO芯片工程团队非常辛苦，每天承受着巨大的压力，等到芯片点亮那一刻，自然激动异常。而且自2019年才开始建队，第一颗就采用6纳米工艺，马里亚纳 X却一次流片成功，后续连一道金属层修改（metal fix）都不需要即可量产，这其中研发人员付出的心血与决策者承担的风险可想而知。

姜波举了一个例子，2019年市场上能买到的MIPI（移动影像传输接口）接口IP最高速度只能支持到3.5Gbps，但由于马里亚纳 X指标定的高，需要至少做到4.5Gbps才能适配处理速度，由于没有成熟的商用第三方IP，OPPO团队只能靠自研来实现6纳米工艺下的4.5Gbps MIPI接口。模拟接口模块的性能对于工艺适配要求较多，而仿真通常不能覆盖全部场景，如果以前没有做过6纳米工艺，那么业内通行做法是先采用试车机会（Shuttle，即与多人拼盘购买晶圆厂测试性工程样品流片机会）把设计交给晶圆厂流片来测试设计与工艺的匹配度，测试样片拿回来测试以后，根据测试结果调整设计，设计与工艺匹配有把握以后，再正式流片，即所谓全光罩（full mask）流片。

“由于时间压力，我们把迭代流程完全取消了，这意味着做IP的同事面临非常大的压力。”姜波表示，由于模拟设计工程师超高的能力、经验和责任心，马里亚纳 X中集成的MIPI IP在未做工艺验证的情况下一次性成功，承受了巨大的压力，也体现了强大的能力。

马里亚纳 X首战告捷，确实体现了OPPO芯片军团的战斗力，但正如陈明永所说，这只是OPPO自研芯片的一小步。毕竟，NPU相比手机主处理器还是简化了很多，以海思的实力，也是在迭代数代之后才开始翻身，之前芯片都被视作华为手机的短板。OPPO起点更高，初期投入强度更大，迭代周期可能不需要海思那么长，但如何将这几千人的团队打造成如臂使指、信念统一的真正铁军，将这批芯片人的战斗力真正发挥出来，将是OPPO高管面临的考验。

对待芯片这样基础性技术的研发，一定要有耐心，要做好迭代三五代都可能做不出成功产品的心理准备。好在，从陈明永的话来看，他做好了心理准备。陈明永说：“马里亚纳是世界上最深的海沟，代表着自研芯片之艰难。无论前路多少挑战，我们都将坚持不懈，咬定青山不放松。”

手机创新主导权归于整机厂

前有苹果、华为，后特斯拉、OPPO，整机厂自己开发芯片又成潮流，其实复杂功能的产品定义主导权一直在芯片公司和整机厂商之间摇摆。

在半导体技术刚刚产业化时，独立半导体公司极少，多数是系统厂商（即整机厂）内部设置半导体部门，典型代表如摩托罗拉（后分出飞思卡尔）、飞利浦（后分出恩智浦）和西门子（后分出英飞凌）等，这些公司的半导体部门生成的芯片只供自用，理论上也可以为自家产品提供最优化设计。

但随着半导体产业逐渐成熟，更新迭代技术所需投入不断加大，靠单一公司难以维持相应投入，于是这些系统公司的半导体部门纷纷独立出来，开始向市场上所有潜在客户兜售其产品，这样就需要增加芯片的通用性，代价即成本增加，也难以对单一客户应用做到性能最优化——除非为该客户做定制化开发。但这些代价对当时而言都可以接受，所以在1990年代至2010年代，主流电子产品研发模式为芯片公司定义主要参与与指标，整机厂在芯片公司提供的芯片功能与性能基础上去做二次开发，整机需求通过与芯片公司产品经理沟通来实现。

但随着智能手机出现，情况出现了变化。首先是单一厂商出货量满足了复杂芯片开发的规模要求，从Canalys给出的数据来看，前五大手机厂商2020年出货量均超过一亿部，只有年出货量达到数千万或上亿才能符合用先进工艺开发手机处理器的先决条件——手机芯片产出利润能够覆盖百数十亿计的年研发成本。

再者，以手机为代表的现代智能设备，整机功能拓展方向既广又深，只有一线整机大厂才能积累足够的用户反馈与技术预研，芯片设计公司即便养再多的系统设计人员，也无法建立起类似一线整机大厂那样足够多出货量才能实现的设计反馈机制。这也就是姜波在接受 探索 科技 （techsugar）等媒体采访时，反复强调的系统优势。

“OPPO是终端厂商，更明白用户痛点在哪里，用户场景的价值点在何处，我们会根据应用场景来调整相应的硬件架构，提升能效比，提升有效算力。”姜波说，在手机上堆NPU算力其实不难，只要把面积放大就行，但芯片能效比要做到马里亚纳 X的水平，需要克服非常大的挑战，更离不开整机端同事的密切配合。

马里亚纳 X是OPPO自研芯片的第一步，是非常成功的一步，但确实只是万里长征的第一步，要挑战手机主处理器芯片还有很多难关要翻越。但只要OPPO坚定做好核心技术要有“咬定青山不放松”的恒心，勿忘勿助，给自己团队留出足够长的时间去迭代去成熟，芯片技术加终端能力，无疑将在以后的市场竞争中发挥巨大的威力。

最后，用我在个人社交媒体账号上的一段话作为结尾：

马里亚纳X只是第一步，接下来的每一步，都是要把底层核心技术逐步掌握在自己手中

文 | 柳书琪

编辑 | 谢丽容

在上一个十年，对于 科技 产业的发展，人们热衷于谈论应用与产品层面的创新。而到了新的 历史 周期，半导体等硬 科技 的必要性愈发显现。

造芯热浪，一股不可小觑的势力来自中国手机产业，华为、OPPO、小米等头部手机厂商无一不在夯实自己的硬 科技 实力。

12月14日，OPPO在2021 INNO DAY上发布了首款自研芯片，影像专用NPU芯片“马里亚纳X”，揭开了OPPO造芯计划的面纱。

当天，OPPO创始人兼首席执行官陈明永说，“2019年，我们说要有十年磨一剑的勇气，勇于踏入研发深水区。历时三年，现在我可以说，我们踏入深水区的第一步就是这颗芯片。”

不同于小米的澎湃C1与vivo V1这两颗ISP图像处理器，马里亚纳X的定位是一款影像专用的NPU芯片（神经网络处理器）。据OPPO研究院院长刘畅介绍，马里亚纳X采用台积电6nm先进制程工艺，在控制能耗比的同时，聚焦影像AI算法与HDR（高动态范围图像）的提升。

这几年来，手机产业的竞争越发趋于内卷，在一个红利见顶、创新缓慢的市场里，各家手机厂商疲于缠斗。手机厂商之所以在今年并未拉开明显差异，一大要害就是都缺乏底层研发实力。

马里亚纳计划已有了初步的成果，但终端厂商与传统的芯片公司相比，积累有限，要想拥有成熟的SoC（主芯片）研发能力，还需要漫长的过程。

从芯片产业链上来，中国最明显的短板是先进制程的生产能力，但实际在高端芯片的设计环节也相对薄弱。拥有主芯片设计能力的厂商仅有华为海思、联发科与紫光展锐，且后二者主要生产中低端芯片，具备6nm以内的芯片设计能力的厂商也屈指可数。

非自研不可？

手机厂商要不要自研芯片？一个观点是，芯片产业已有非常成熟的解决方案，手机厂商在芯片设计上的积累难以与专业队媲美，因此没有必要非得采用自研芯片。

但另一个观点是，对手机厂商而言，这件事情不得不做，还得做好。

仅从手机行业来看，可以自主设计制造芯片，是手机厂商通往顶级的门票。全球高端手机厂商，苹果、华为、三星无一不具有自主研发的芯片实力。苹果手机的创新力近年来屡遭诟病，但其在A系列芯片的发布依然备受瞩目，并被认为是苹果手机能保持强有力竞争优势的关键。

核心芯片技术都采购自专业芯片厂商，是绝大多数厂商的选择。但距顶级 科技 企业始终差一个身位。近年来的国际环境，让中国手机厂商更意识到了将自主研发实力掌握在自己手中的迫切性。

“ 科技 公司必须通过关键技术解决关键问题，如果没有底层核心技术，就不可能有未来；而没有底层核心技术的旗舰产品，更是空中楼阁。”陈明永说。

如果萌生了这个想法，手机厂商自研芯片接下来的逻辑显得顺理成章。从前芯片厂商虽然能提供通用平台，但仍然需要终端厂商进行定制化、有针对性的性能调校，这本身就要求终端厂商懂芯片。在此基础上，再向前进一步就进入到了自研的阶段。

对于“主芯片厂商可能会集百家所长，将手机厂商自研芯片的特性汇于一身”的观点，姜波的看法是，这并不意味着手机厂商没必要自研芯片。一方面，通用芯片要同时支持多家公司的算法，做全集，研发周期必然更长。另一方面，手机厂商自研芯片的特性和思路如果被纳入主芯片中，表明这的确是业内公认的价值点，吸纳所长会促进全行业的共同发展。

对于OPPO来说，OPPO手机一向以擅长影像为点，选择在该领域做自研芯片的第一步，顺理成章。手机要对标的影像品质，是单反相机这样的专业设备，但因为手机外形所限，传感器尺寸不能无限增大。“依靠AI算法，可以接近甚至达到单反的水平。”

之所以选择从影像领域切入造芯，也是由于通用芯片和ISP无法满足计算影像在算力和能效上的需求，这就需要自研专用NPU来解决。姜波表示，算法与芯片、软件与硬件的结合在计算影像中起到了决定性作用。当算法和芯片不能做到互相间完全开放、完全紧密耦合的时候，是无法发挥出最大效益的。

“只有将AI算法引入影像，才能大幅提高影像体验的上限。影像专用NPU将成为手机影像发展的主流方向。”他说。

此外，影像体验是最容易被用户感知、影响购买决策的因素，也是高端手机最直观的性能体现之一。Judd Heape表示，定制影像部分的芯片所取得的成效是更明显的，尤其在骁龙平台基础上，可以在软件层进一步定制。

姜波认为，OPPO从影像专用NPU入手，优势在于此前已有十年的相关积淀。过去OPPO已在不同的手机上实现了传感器、摄像头模组、镜头的定制，在10倍混合光学变焦等影像技术方面有一定先发优势。此外基于通用芯片平台，OPPO也在AI算法上有所积累。到了今天这个时间点，是时候推出自己的芯片了。

自研需要跨越几道坎？

术业有专攻，手机厂商造芯，能做到哪一步？

姜波2019年加入OPPO，此前他曾在头部手机芯片厂商负责产品工作，目前他在OPPO主持马里亚纳X的研发工作，从团队搭建、到确定研发方向、设立性能指标，再到自研核心IP、批量生产。简单说，这是一支全新的团队，所做的工作从0到1、从无到有。

首次发布的芯片就采用了6nm先进制程工艺。由于市面上没有6nm独立NPU的参考设计，核心IP需要全部自研。姜波回忆，当初团队研究了不少公共IP，也有厂商可以提供NPU，但综合考虑了场景、算法以及能耗效率，OPPO依然决定自研核心IP。此次马里亚纳X中核心IP MariNeuro和MariLumi都来自OPPO自研。

“大原则是，IP本身一定要带来差异化。如果有现成的IP可以满足要求，我们是非常开放的，但如果第三方NPU达不到能耗效率，那还是没法用。”姜波说。

从工艺制程来看，6nm及更先进的制程采用的是EUV光刻技术，而成熟制程采用的是DUV光刻技术，前者的成本达到千万级美元水平，比12nm高出2-3倍。

姜波曾多年在专业芯片设计公司工作，他感受到最大的区别在于芯片公司更看重需要什么规格的芯片，而终端公司造芯的视角是从用户场景反推，有什么用户痛点。芯片只是整个智能手机精密体系中的一环，它需要与其他零部件和功能协调配合。

最初在设计马里亚纳X时，不断有OPPO终端产品线的同事询问，额外增加这颗芯片对电池容量、手机使用时长的影响有多少，又会带来多大的增益，这与芯片厂商的设计思路截然不同。

OPPO目前对影像芯片的未来演进方向看起来已经有清晰的规划。姜波透露，OPPO将要打通影像的垂直整合，将影像链路的各个环节掌握在自己手中，拥有完全独立自主的技术体系。

只有一条路

选择从6nm先进制程的影像专用NPU切入，这意味着OPPO已拿到了高阶制程的入场券，开端不错。

未来技术创新方向上，OPPO提出“3+N+X”战略，“3”代表硬件基础技术、软件基础技术和服务基础技术；“N”代表能力中心，包括互联互通、多媒体、人工智能和安全隐私等；“X”代表差异化技术，包含闪充、影像、新形态和AR增强现实技术等。

芯片是这块战略拼图中至关重要的一块。对终端厂商而言，芯片实力从前相对薄弱，但现在这是一块不得不补齐的能力。这不仅影响着手机公司能否在当前的高端战役中成功突围，从长远看，它将决定了一家公司是诸多零部件的组装厂商，还是世界级的 科技 公司，二者未来的想象空间和市场潜力不可同日而语。

2018年设立研究院是OPPO的标杆性事件，这意味着OPPO将加大在底层核心技术领域的研究与投入。截至三季度末，OPPO全球专利申请量超过7.3万件，全球专利授权量超过3.3万件，其中发明专利申请量占所有专利申请的90%，发明专利授权量连续三年位居中国企业前三位。

除了自研，OPPO也在通过加速扩大投资版图，获得更丰富的能力。据第三方数据机构IT桔子显示，今年OPPO的投资项目数量达到14起，其中芯片已成为重点投资领域。近几年OPPO已投资仟目激光、灵明光子、杰开 科技 等10家芯片公司，被投企业主要从事智能终端的电子零部件芯片设计和制造。

如今的时代背景下，芯片等核心技术的国产化替代布局已在加速。云岫资本发布的报告显示，2020年中国半导体行业股权投投资金额超过1400亿元，较2019年增长了近4倍。

人们越来越清楚地认识到，必须将核心技术牢牢握在自己手中，自主打造系统化的生态和解决方案。OPPO看起来打算在这条路上走到底。“马里亚纳是世界上最深的海沟，这意味着这注定是一条坎坷而曲折的路。”陈明永说，“但只要是对的路，就不怕远，更不能怕难。”

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