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    元宇宙背后的芯片機會

    2022年01月17日 10:38:19   來源:微信公眾號:半導體行業觀察 

      從去年下半年開始,元宇宙的概念可謂是科技行業的一個最大熱點,各大科技公司均紛紛宣布大力布局元宇宙。目前,普遍認為AR/VR將會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域。AR/VR硬件領域,Facebook的Quest系列已經成為全球最受歡迎的VR設備,而中國的巨頭如字節跳動和騰訊在最近也有大的投資,其中字節跳動收購了中國公司中市場占有率最高的VR設備廠商Pico,而騰訊也在最近收購了黑鯊,將專注于VR硬件設備。AR硬件領域,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,中國的華為等公司也紛紛推出概念原型機,而隨著蘋果的高端AR/VR設備預計在2022或2023年發布,預計未來AR硬件也將走上快速成長的道路。

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      ARVR硬件的性能對于能夠支撐的用戶體驗極為關鍵,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市場上,最主要的供貨商毫無疑問是高通,其Snapdragon XR系列成為了目前幾乎所有VR設備的選擇,而在去年年底的高通投資日上,高通CEO Cristiano Amon也著重強調了ARVR(XR)市場將成為高通未來最關鍵的發力方向之一,并且預計目前相關芯片在2021年已經出貨達到千萬數量級。而在今年早些時候,高通也和微軟在CES 2022上正式發布了在AR領域的合作計劃,其中微軟和高通將共同開發定制化的Snapdragon芯片用于AR眼鏡中,其中將進一步包括對于微軟Mesh平臺和高通Snapdragon spaces這兩大AR開發平臺的支持。

      從去年到今年的動態來看,ARVR芯片市場正處于高速增長的階段,而目前高通在這個市場上幾乎處于壟斷地位。但是,隨著該市場規模的進一步增長,一定會有更多的芯片廠商進入該市場。

      ARVR芯片的技術門檻

      ARVR芯片的技術門檻決定了有多少芯片公司能進入該市場競爭。我們不妨從VR芯片技術開始分析。

      首先,從架構上來說,VR芯片的架構基本和其他智能設備的SoC類似,由一個處理器(AP)來運行操作系統并且掌控整體硬件的操作。因此,VR芯片首先需要擁有一個較強的處理器,但是這一點目前來說并非高不可攀——ARM的高性能處理器IP的使用和集成已經成為大多數SoC廠商的標準操作,因此我們認為VR芯片中的處理器并非是一個難以跨越的門檻。

      在VR SoC的眾多IP中,最重要的決定用戶體驗的IP就是負責渲染和顯示的GPU。目前,VR設備的主要應用還是游戲,而幾乎所有的VR游戲都是3D圖像(因為3D圖像能給用戶提供最好的沉浸感體驗),因此GPU的性能就決定了這些3D游戲的多邊形數量和渲染效果。目前的VR游戲的3D圖像質量大約相當于10年前的PC和主機游戲,因此隨著VR游戲市場的擴大和生態的形成,游戲圖像質量將會成為主機之間競爭的核心指標,而這也將推動對于VR芯片中GPU渲染能力的需求。與桌面級GPU不同的是,VR芯片中的GPU必須考慮能效比,因為目前主流的VR設備都是依靠電池來供電,因此能效比將決定VR設備的續航時間,同時也需要保證VR設備散熱沒有問題。

      除了游戲圖像質量之外,VR設備中用戶體驗的一大需求就是分辨率。目前VR設備中一個重要的被用戶體驗問題就是屏幕分辨率不夠所產生的“紗窗效應”(即用戶看到的圖像好像隔了一層紗窗),因此VR設備對于4K甚至更高分辨率的需求更甚于手機。因此,我們預計在未來幾年中VR設備的屏幕分辨率也將是各大廠商競相追逐的目標,這也需要VR芯片的GPU能有足夠的性能來支持高分辨率的屏幕。

      在GPU之外,VR芯片中另一個最重要的IP當屬人工智能加速器。與傳統手機中不同,VR設備中的眾多交互都需要人工智能的介入。舉例來說,VR設備一個重要的需求就是設備和用戶的定位和追蹤,并且把這個信息融合到游戲的虛擬環境中,這就需要使用人工智能中的SLAM技術才能高質量地實現。另外,目前VR設備中,交互越來越多地使用手部追蹤和眼部追蹤等先進技術來實現自然的交互,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,人工智能也是一個解決GPU渲染能力瓶頸的重要技術。屏幕分辨率上升和用戶對于圖像質量的追求給GPU很大的壓力,但是事實上用戶在同一時間并不會注意到屏幕上所有的像素點,而只會關注他們眼睛聚焦地方附近的像素點。因此,一個技術解決方案就是選擇性渲染(foveated rendering),即使用眼部追蹤技術結合人工智能模型來判斷用戶眼睛聚焦的位置并且在相應的地方做高質量渲染,而在用戶關注不到的地方則可以降低渲染質量,從而減輕GPU的壓力。目前,該技術已經使用在了Sony的PSVR2中,未來可望會用到更多的VR設備中。

      從上面這些分析中,我們可以看到VR設備中的人工智能甚至比起在手機中更重要,因為這些人工智能模型首先是賦能用戶體驗重要特性的關鍵,同時也必須實時運行在VR設備中,而難以依靠云技術。這些人工智能模型的復雜度決定了VR芯片上必須有一個足夠強力的人工智能加速器,同時擁有強算力和很好的能效比,才能支持這些應用。

      除了GPU和人工智能之外,無線連接也是VR芯片中較為重要的部分。對于一些高質量游戲,目前的主流做法是讓游戲運行在桌面計算機上,同時把圖像通過串流(stream)的方式傳送給VR設備,而這也就需要穩定和高速的WiFi連接。

      今天來看VR芯片的需求和門檻已經較為明確,而相對而言AR芯片還處于較早期。與VR相比,AR眼睛無需連續運行大量的圖像渲染,但是需要能實現全天候佩戴,而且對于重量有非常嚴格的需求(例如重量與一般的墨鏡相當),這就進一步限制了眼睛上的電池容量,因此對于芯片來說會需要更進一步做低功耗優化。無論從Magic Leap還是微軟的Hololens來看,AR圖像渲染也是AR眼鏡中一個極其重要的用戶體驗,因此對AR芯片的GPU將是一個挑戰,即如何平衡渲染能力和功耗。人工智能也是類似,AR眼鏡也需要對用戶做SLAM,并且也需要支持手部追蹤這樣的交互,因此我們認為AR芯片可以認為是更低功耗版的VR芯片。

      ARVR芯片與中國

      目前,ARVR芯片主要還是高通占絕對的領先地位,但是隨著ARVR市場的進一步成熟,我們認為中國的芯片公司有相當的機會。

      我們認為,ARVR芯片的基本架構與智能手機芯片類似,只是其中的IP的性能需求和重要性與智能手機芯片略有不同。例如,蜂窩網絡modem是智能手機芯片中的絕對核心,同時也是中國芯片行業花了非常久時間才逐漸追上的領域,但是在ARVR中蜂窩無線網絡并非必選項;相反,ARVR芯片中最關鍵的AP、GPU、人工智能加速等IP中國的芯片公司都已經有相當多的經驗,因此我們認為從設計角度來說,只要中國的芯片公司能夠和相關的ARVR設備公司合作來深入理解芯片的具體需求,我們對于中國芯片公司能在未來幾年內進入ARVR領域持樂觀態度。

      另一個角度來看,由于ARVR芯片對于芯片的功耗和能效比有很強的需求,因此先進的半導體工藝將會對于這類高能效比芯片有很大幫助,預計未來幾年內都會使用最新的半導體工藝(7nm及以下)來制造。從這一點上中國的半導體制造還需要進一步追趕才能從ARVR芯片的發展中獲得收益,其中不僅僅包括半導體芯片制造工藝,還包括高級封裝這類能從另一個維度提高整體系統能效比的核心技術。

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