专访艾伟 | 麒麟980诞生揭秘:华为如何引导手机创新节奏

宿艺头条 精品阅读2018/09/05

一朝重器添白发,十载奋斗无人知,百战归来无故人。

文/壹观察 宿艺

季度出货量完成超越苹果之后,余承东将下一个目标定义在了“2019年四季度超越三星成为全球第一大手机企业”。

为此,华为在柏林IFA 2018上首先亮出了“性能非常恐怖”的麒麟980。可以说,搭载麒麟芯片的华为手机在未来六个季度的走向,将决定余承东的这一夙愿能否如期达成。

全球首款7nm芯片麒麟980背后故事

在IFA 2018展会之后,华为Fellow艾伟在上海接受了《壹观察》专访,首次详细解读了麒麟980背后的研发故事。

“Fellow”相当于华为研发领域序列最高的科学家,在华为8万名技术工程师中仅30余名,艾伟也是华为芯片业务——麒麟的产品规划负责人。

艾伟对《壹观察》透露,芯片行业都是应用一代、研发一代、预研一代的“滚动研发”模式,麒麟980的立项时间是2015年,共有1000多位高级半导体专家参与,进行了超过5000次的工程验证。对于外界称华为斥资3亿美元研发麒麟980的消息,艾伟称“芯片行业是一个投入巨大、风险巨大的投资”,并且按照行业规律,伴随每一代工艺的提升,对应的投入都要翻倍。华为对麒麟芯片的投入也是每隔2-3年投入就会翻倍增长的,而且伴随芯片创新,这种投入是一年比一年多,具体到麒麟980的投入并不好界定,但“投入远远超过3亿美元”。

这也就意味着,全球首款采用7nm芯片的麒麟980,是华为历史上投入最多、创新力度最大,同时也是成本最高,甚至是挑战最大的一代核心处理器。

艾伟称,麒麟980挑战最大的,是三年前就要准确判断7nm制程能不能在2018年10月这个时间点量产,如果最后产品准备好了,但芯片因7nm的技术问题未能量产,那么就会造成很大的产品事故。

在半导体芯片的研发过程里,7nm的工艺制程已逼近硅基半导体工艺的物理极限,还要克服复杂的半导体技术效应和晶体管本身的三维电阻电容带来的影响,无异于在针尖上跳舞。比如芯片行业的其他大厂,至今也未能实现7nm制程量产,甚至有的放弃7nm。以麒麟980为例,要在指甲盖大小的尺寸上塞进69亿个晶体管,挑战之大可想而知。而三年前16/14m制程工艺刚刚量产,此时要拍板使用7nm,无论对哪家企业而言都是一个艰难的选择。

华为和台积电的合作始于2000年初,当时台积电已经跟上世界先进工艺的步伐,但缺乏对高工艺需求量大,又可以跟台积电一起研发和应用先进制程工艺的合作伙伴,最终台积电选择了华为。此时华为芯片应用的产品还处于安防、通信领域,不得不说张忠谋的眼光非常独到。2004年为了配合海外运营商定制业务需要,华为开始进入手机领域,2011年底“三亚会议”明确了华为手机业务要从运营商定制向大众消费市场转型,由余承东挂帅终端业务,华为智能手机业务由此爆发,到今年第二季度已超越苹果成为全球第二大智能手机企业。

在这个过程中,台积电收获了一个规模和成长性巨大的客户,并且愿意在关键制程工艺上与台积电共同研发和承担风险。华为也通过与台积电的合作,在20nm、16nm、10nm、7nm工艺关键制程跨界节点上,一直保持领先全球其他公司发布,实现了连续跨越式发展。

艾伟对《壹观察》表示,即使如此,芯片行业敢于工艺“头啖汤”还是有很大风险的,华为和麒麟要付出的,不仅仅是勇气,还有从关键规格的定义到早期验证电路,再到系统投片去做延展。同时,新的工艺、芯片设计架构、新的技术投入和产品创新、量产、手机的选型,应用开发适配,用户体验和反馈,这是一个系统级的挑战和产业链的综合竞争。做了99.9%,0.1%没有考虑到,也会对最终结果产生巨大影响。

一款芯片的设计周期看似长达三年,但其实工作节奏非常紧密。以麒麟980为例,2015年立项,历经了超过36个月的研发,2016年完成定制特殊基础单元构建高可靠性IP论证,进入SoC工程化验证已是2017年,再去掉早期芯片验证的时间,实际剩下的量产周期仅约半年左右,对于麒麟研发团队而言实际上只有两次机会,也就是只能允许一次投片修正,否则就会影响芯片的正常流片、量产和终端适配,造成产品延期上市甚至是项目失败。

还有“滚动研发”模式,芯片研发是紧密迭代的,意味着每次新品发布完毕,研发团队在把自己“榨干”和“逼疯”后,必须立即继续投入到一个新的轮回,而且工艺要求一次比一次高,难度和挑战一次比一次大,没有“敢为天下先”的气魄和“大技术理想主义”的支撑,是很难完成的。这也是至今为此,在全球可以设计、规模商用自主核心处理器的智能手机企业中,为何中国只有华为一家完成突破的原因。

麒麟980背后的“双轮驱动”创新模式

麒麟980采用7nm制程的成功,不仅意味着从关键的制程方面领先于高通,更带来了性能与能效的全面提升。据TSMC的官方数据统计,相比上一代旗舰——10nm工艺制程的麒麟970,麒麟980性能提升约20%,能效的提升约40%,晶体管密度提升到1.6倍。

不仅如此,麒麟980还是全球首款使用Arm Cortex A76这一最新架构进行开发商用的SoC。但与ARM标准设计的“大小核”不同,麒麟980采用了两颗主频高达2.6GHz高性能的Cortex-A76内核、两颗主频1.92GHz中等性能的Cortex-A76内核、四颗1.8GHz高效能的Cortex-A55内核。相对于传统的大小核两档位设计,超大、大、小核能效架构提供了更为精确的调度层次,让CPU在重载、中载、轻载场景下灵活适配,大大降低了CPU在实际综合业务场景下的功耗。数据显示,麒麟980的性能比麒麟970提升了75%,能效同步提升58%,比骁龙845性能领先37%,能耗降低32%,显示了麒麟980超越骁龙845的明显迭代优势。

除此之外,麒麟980是全球首款支持2133MHz LPDDR4x内存的SoC。相对于LPDDR4来说,LPDDR4X的电压更低,有效降低了内存能耗。据华为介绍,麒麟980配合2133MHz DDR4X内存,带宽提升20%,延迟降低22%。

GPU曾经是麒麟处理器的短板,但从麒麟980开始得到了大幅提升,其Mali-G76是ARM在今年6月初公布的新一代基于Bifrost架构的GPU内核,采用Mali-G76 GPU内核的麒麟980相比上一代性能提升了46% ,能效提升了178%。而基于Mali-G76的麒麟980与GPU Turbo带来的新“软硬”系统级整合,图形效能终于可以对骁龙旗舰完成逆转超越。

更重要的是,通过麒麟芯片底层图形加速技术,带来了丰富的算力优化手段,可实现图形线管优化、AI智能调频调度,以及游戏操控体验大幅增强。数据显示,高频应用启动时间平均缩短28%,游戏体验更流畅,平均帧率提高22%,平均每帧能耗降低32%,在现场游戏性能的高帧率持久性和稳定性上明显超越高通骁龙845。艾伟对《壹观察》表示:“今年10月16日首发搭载麒麟980处理器的华为Mate 20,将是年内能买到的性能最好的旗舰手机“。

麒麟980采用了双核NPU和第四代自研双ISP创新最大的还是AI能力的进化,是麒麟970搭载NPU的优化版,并且使用了双核,图形图像识别能力大幅提升,每分钟可识别图像4500 张,识别速度相比上一代提升120%,意味着每秒实现的图像帧率可达80帧 。相比之下,骁龙845 可识别2371 张,苹果A11 可识别1458 张。相比骁龙845,采用双核NPU的麒麟980在AI性能提升了134%,AI能效上提升了88%。

全新升级第四代自研ISP,像素吞吐率比上一代提升46%,能效提升了23%,延迟降低了33%。采用多重降噪技术,可大幅提升拍照细节;图像局部自适应的HDR动态范围控制和色彩还原;以及独立视频处理流水线,提升拍摄响应速度和图像清晰度。

对于用户来说,可能最直观的感受主要有:麒麟980将原来物体识别能力,从轮廓,扩展到物体姿态和形状细节;实时图像处理,从图片升级为视频;实时图像智能分割能力,从粗略到精准。

艾伟接受称,华为希望将麒麟980的融合能力通过开放架构提供给更多开发者,包括Hi AI Foundation、Kirin AR DDK、Kirin Camera DDK等,将麒麟980的AI算子、人体骨架姿态预估及跟踪、前端物体识别和更好的成像能力等赋能开发者,建立更加丰富的AI生态。艾伟透露称,在过去一年中,搭载麒麟970的华为AI智能手机全球出货量超过数千万台,这为AI开发者奠定了非常好的基础,希望Mate 20发布会后,会有开发者站出来,推出一个属于自己的“吓死人的创新应用”。

可以说,麒麟980是华为近年来在芯片技术集大成的旗舰芯片产品,代表了目前芯片行业最高的可量产制程工艺、最强的端侧AI计算能力,以及麒麟最强的一代CPU与GPU。在麒麟970出现之前,业内曾有很多对摩尔定律失效,以及手机处理器性能过剩的争议和讨论,但搭载全球首个独立NPU的AI处理器麒麟970的发布,给整个芯片和智能手机的发展开辟了“另一个未来”,麒麟980的推出,更是朝AI智慧手机的进化方向上再迈出了重要一步。

那么,按照芯片行业三年一个产品定义的周期,麒麟研发人员是如何踏准这一创新方向的?

艾伟对《壹观察》表示:麒麟处理器是典型的“双轮驱动”创新模式:一方面,麒麟研发人员会根据产品研发端、市场调研、用户反馈等途径得到的信息进行梳理和分析,从而思考需求背后真正要表达的逻辑和实现方式;另一方面,则是研发端确立的大方向是“超越人体感官”体验,就是比人感官更灵敏,触及的范围更远,比如当时麒麟920推出的“抢红包比iPhone 快”,是基于基带的优化方案,AI拍照的物体和场景识别与算法调用,是基于麒麟970的端侧AI计算能力。艾伟透露称:“超越人体感官”的下一步,将是“超越人智慧”,也就是比人更聪明

麒麟的不断创新突破,同样来自华为内部对技术投入和产品创新的“执念”。余承东和华为人在CDMA和小灵通经历的苦难,以及随后在欧洲分布式基站和4G上的巨大成功,让华为人坚定了对大战略趋势方向的重投入,以及对贴近用户和市场需求创新的两大理念。带来的结果是,余承东在手机业务线上要求在前沿业务方向上必须判断准确,并且所有储备尽可能“Ready”,而在产品创新上,则要求结合“Ready”的技术储备打造“甩别人一条街的优势”。

手机产品线从产品定义到芯片研发都为此承受了巨大压力。艾伟对《壹观察》透露称:“余总在内部经常讲的一句话就是:没有足够的创新就不要做了”,每年手机产品线都有不少被余承东“腰斩”的产品,对于麒麟来说,每年迭代的巨大投入之后,有没有足够的创新让产品线满意,让终端用户和市场满意,唯一衡量的标准就是销量与口碑

数据显示,华为在高端智能手机市场,即500美元以上全球高端智能手机市场份额从2017年6月占比12.8%发展到2018年6月占比16.4%,增长了3.6%。这些产品全部来自麒麟970处理器。其中,首先搭载麒麟970的华为Mate 10旗舰系列上市10个月全球销量突破1000万台。今年发布的P20系列上市五个月出货量即超过1000万部,在约4000元以上的价位段创造了中国智能手机高端市场的新记录,并且呈现销量明显远高于上一代的迭代增长趋势。

艾伟对《壹观察》表示,从芯片企业未来趋势来看,伴随创新难度加大、投入加大,成本和风险提升,这个行业的商业回报率越来越低,未来只有少数玩家可以留在牌桌上,“余总之前预测全球手机品牌越来越少也是基于同样的原因推断”。

华为麒麟开始带动全球智能手机创新节奏

在整个3G及4G时代的前半期,高通一直是全球移动芯片的领导者,整个手机产业大都按照高通的节奏来推出产品。

麒麟芯片的出现,打破了这一长期的行业格局。

麒麟芯片来自前身是华为1991年成立了的ASIC设计中心,2004年华为正式成立芯片研发部。

K3V2芯片于2012年推出,是当年业界体积最小的四核64位A9架构处理器。华为首次将麒麟芯片用在自己当时的旗舰手机上,包括D2、P2、Mate 1和P6等多款机型。此时,华为正在余承东的带领下面向大众消费市场和中高端产品转型,甚至为此砍掉了欧洲运营商数百万台的贴牌机型,这是余承东执掌华为终端业务之后最艰难的时刻。

平心而论,K3V2虽然是麒麟芯片当时较为成熟的一款产品,但相比同时期的高通旗舰处理器仍有明显差距。当时余承东顶住了内外部的压力,最重要的原因有两个:一是余承东不希望在关键核心元器件上被“卡脖子”;其二余承东意识到要在高端市场完成突破,必须按照自己产品的规划节奏、自己用户的需求去定义芯片,而不是反过来陷入产品同质化和发布日期同质化的节奏进行红海竞争。

麒麟910于2013年推出,是麒麟对自身芯片产品重新定义和命名的开始。采用了28nm工艺制程,GPU更换为Mali-450 MP,支持LTE 4G网络,在TD LTE网络下最高可带来112Mbps下行速度,在华为Mate2、荣耀3C 4G版上搭载,为麒麟系列树立了初步的品牌识别度。

麒麟920于2014年推出,基于ARM推出的big.LITTLE大小核心解决方案,帮助华为Mate 7实现了首款高端“爆款”,全球销量超750万,实现了华为手机在中高端市场口碑和认可度的飙升。

麒麟950于2015年推出,采用16nm工艺制程,首次采用ARM Cortex A72架构以及Mali-T880 GPU,集成自研Balong720基带,i5协处理器,自研的音视频解码芯片,是一款集成度非常高的SoC手机芯片。凭借性能优势和工艺优势,麒麟950大量应用在华为Mate 8、Mate 9、P10等产品上,为华为站稳中高端市场起到了重要作用。

麒麟970于2017年推出,是全球首款采用单独NPU的AI处理器,也是华为首款10nm处理器,引导了整个芯片行业和智能手机行业的AI变革。麒麟970是华为搭载机型最多、出货量最大、用户认知度最高的麒麟系列处理器,对华为手机中高端市场的大幅增长起到了核心的助推作用。

今年8月发布的麒麟980,从其整体性能、AI强用户体验上来看,都明显超越目前市面上的其他旗舰处理器产品。在IFA 2018上一口气拿下了“六个世界第一”,按照余承东的话来说,就是“遥遥领先”。

更重要的是,麒麟8月发布芯片,10月华为旗舰将会首发,华为依靠自主麒麟处理器带起的芯片行业创新节奏,让高通和采用骁龙旗舰处理器的Android手机企业的传统固有节奏被“带坏”。高通将于今年12月发布首款7nm的骁龙855处理器。而此时,华为已有至少两款麒麟980上市。预计三星搭载首款骁龙855处理器的新旗舰Galaxy S10于2019年2月发布的时候,华为搭载麒麟980的两款旗舰手机估计全球出货量都已超过了千万台。

同时,麒麟980 通过外挂麒麟自主研发的巴龙5000 5G 基带,实现对5G 网络的支持。余承东之前宣布华为将于2019年6月推出首款5G智能手机。从时间点上来看,就是基于麒麟980+巴龙5000方案的产品。艾伟对此也进行了确认,他同时表示:国际上5G标准今年6月才确定,目前包括中国运营商现阶段还在进行设备兼容性和互联互通测试,因此用户今天就希望买到一个成熟可量产的5G智能手机是不现实的。麒麟980+巴龙5000的推出,其真正的意义在于,给整个行业提供了一个可验证的5G终端方案,而不是过去仅存在于算法和理论的验证过程。作为产业引领者,华为明年的5G手机会准时推出,主要面对运营商的5G友好用户提供测试。艾伟强调称:“华为不是简单做一个5G手机,而是一个完整的生态创新”。

可以预计,随着芯片企业AI创新趋势加速和5G到来,未来那些需要依赖第三方芯片企业的其他Android品牌,与华为的差距会越来越明显。以小米为例,其真正的规模量产骁龙845的机型发布时间是今年6月份,距离高通发布会时间已有半年之久。而高通855处理器计划于今年12月发布,预计其他厂商量产的时间也将会在半年后。在核心处理器每年迭代的节奏下,这种半年的代差足以被各种“吊打”。

评论

在与艾伟交流中,可以清晰的感受到麒麟处理器不断演进的过程。可以说,华为智能手机的成长史,麒麟芯片贯穿其中,并且起到了核心推动作用。

麒麟芯片的成功,背后是华为坚持重研发投入和“大技术理想主义”的支撑下艰苦奋斗的结果。

过去十年间,华为研发累积投入达3940亿元,仅2017年研发投入就达896亿元,占比公司营收的14.9%,超过苹果,位列全球研发投入排名第六位。目前,华为员工有18万名,其中8万名都是研发人员。2017年向欧盟申请专利高达2398项,位列全球第一。

麒麟芯片就是这种坚持重技术投入的典型收获。坚定的使用自家芯片,倒逼麒麟芯片业务坚持瞄准世界一流技术,超前规划,才有了今天在华为手机在发布节奏、产品规划、AI创新上的步步领先。这些成绩背后,是华为长达27年的芯片巨额投入,三代华为人为此坚守与奋斗。

因此可以说,麒麟芯片的成功,并不是一时之功,也不偶然,但绝对难以复制。

一朝重器添白发,十载奋斗无人知,百战归来无故人。

 

【壹观察】—————————————

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