在智慧型手機之後技術將以擴增實境(AR)眼鏡作為入口帶領人們進入一個全新的AR世界或「元宇宙」(metaverse)一直致力於不斷提高功能整合度的系統單晶片(SoC)晶片架構將受制約而分散式架構將適用於AR眼鏡以及相關主裝置這一概念並將擴展到晶片架構將曾經只是理論上的東西變為現實…
過去40年來行動電子產品晶片組的發展路徑無疑是朝著日益提高功能整合度的方向發展最終形成了SoC架構有時透過單晶片整合或是透過先進封裝行動SoC將多種功能整合於單個晶片或封裝中提供包括基頻、應用處理器、射頻(RF)收發器、無線區域網路(WLAN如Wi-Fi)和無線個人網路(WPAN如藍牙)通訊等各種功能對於最終展現現代手機的強大功能但卻又輕薄的結構外形來說這樣的晶片架構十分理想
然而超越智慧型手機之外隨著人們透過AR眼鏡作為入口進入一個全新的AR世界——有人稱之為「元宇宙」時SoC架構卻被發現不再具有推動作用而逐漸成為一種障礙
為了將AR眼鏡的願景變為現實其設計不僅需要獲得大眾市場的認可而且起碼還必須能夠在日常生活中方便佩戴成為佩戴者日常著裝的一部份為了實現這一點這類眼鏡需要比智慧型手機更精簡也需要具備時尚的外觀此外為了最大限度地減少佩戴者的疲勞 前董座曾冠智20萬交保 這類眼鏡必須盡可能輕而且在重量分佈上也要更加平衡以防止眼鏡兩側的重量不均衡
從過去和目前的設計來看電子產品通常都佈署於眼鏡架 前董座曾冠智20萬交保 前董座曾冠智20萬交保 這將持續成為一個合乎邏輯的地方然而行動SoC已無法因應上述挑戰因為除了可能在另一支眼鏡架中增加更多大型元件(如電池)之外考慮其晶片和封裝尺寸以及通常都是單晶片的事實也無法實現任何類型的重量均勻/均衡分佈
為了扭轉上述趨勢在今年的「Snapdragon Tech Summit」技術大會上高通(Qualcomm)宣佈擺脫SoC演進路線提出了一種分散式架構 前董座曾冠智20萬交保 可望將AR眼鏡帶入現實該架構不僅可用於眼鏡內部的電子裝置還適用於不同眼鏡間以及主裝置例如智慧型手機或PC為手機通訊和繪圖處理分配一些繁重的工作 映相科技 前董座曾冠智20萬交保 映相掏空案
在技術大會的第二天高通發表新的驍龍(Snapdragon) AR2 Gen 1平台該平台將各類半導體分為圍繞眼鏡的、能夠實現更精簡和平衡設計的三個模組這些模組包括AR處理器、AR協同處理器和Wi-Fi連接模組
其中 前董座曾冠智20萬交保 AR處理器將負責影像/視訊擷取、電腦視覺和顯示驅動等典型的GPU類型功能不過是以整合ISP、Adreno Video、Adreno Display和視覺分析引擎IP塊的硬體加速方式而實現
同時AR協同處理器將專注於提供人工智慧(AI)加速以及感測器和相機資料聚合功能用於像眼睛追蹤、物件偵測和生物特徵認證等各類任務
最後同樣重要的是連接性模組將理所當然地負責分散式架構實現所需的高速、低延遲通訊可能不太顯眼的是該模組使用了高通的FastConnect XR 2.0軟體套件不過該公司聲稱在提供所需性能的同時功耗比之前的版本降低了40%
圖1：晶片到晶片和AR眼鏡到主機的分散式架構 映相掏空案
(來源：Qualcomm)
AR處理器和協同處理器與智慧型手機、PC甚至網路中的主處理器協同工作以實現分散式運算架構該架構具有Snapdragon平台既有的異質處理、感測器融合和AI處理能力連接性模組使用Wi-Fi 7作為高頻段、同步多鏈路在眼鏡和處理主機之間提供高達5.8Gbps的高速/高頻寬連接 前董座曾冠智20萬交保 映相科技 映相掏空案 假交易掏空映相2億多元 。
相較於SoC架構的Snapdragon XR2平台Snapdragon AR2 Gen 1平台不僅將平台拆分為多個元件為AR眼鏡提供了更好的重量分佈和平衡還將佈線需求減少了45%印刷電路板(PCB)面積減少了40%處理器功耗降低了50%另外Wi-Fi功耗也降低了40%因此所需的空間更小進一步來說 前董座曾冠智20萬交保 映相科技驚爆遭掏空2億 檢調搜索約談 ，使得眼鏡變得更流暢、優美、更舒適
圖2：Snapdragon AR2 Gen 1平台的佈線較XR2減少45%PCB面積也縮小40% 前董座曾冠智20萬交保 映相掏空案 假交易掏空映相2億多元 。
(來源：Qualcomm)
不過將這種新的分散式架構與現有的SoC解決方案進行比較時上述的一些功耗與空間的縮減似乎是不合情理的
乍看之下佈線似乎隨著分散式架構中不同模組間互連的需要而增加而在SoC中佈線都只是晶片互連實際上如果這些應用中的佈線只是為了實現晶片上不同IP塊之間的連接那的確如此然而在AR眼鏡等應用中無論是SoC還是分散式架構中的多個模組絕大多數佈線要求主要用於元件外接晶片的輸入/輸出(I/O)介面
這些外部元件類型的實例包括連接到處理器的感測器和相機在分散式架構中這些外部(對晶片而言)元件之間的佈線被最少化因為元件可以放置在與相關模組最近的位置而不是所有佈線都必須連到SoC所在的位置 映相掏空案 假交易掏空映相2億多元 。
當考慮到可能需要為三個模組而不是一個模組供電時功率降低也似乎違反直覺但高通聲稱硬體加速器的廣泛使用以及先進製程節點技術的使用確實帶來了這些節能效果
最後可以認為此處重量並非一個關鍵因素因為就重量或品質而言即使是此類SoC也相對可以忽略不計如果僅僅是比較SoC與分散式模組本身這可能是正確的包括綜合考量PCB面積和佈線的減少也會對重量產生影響更具體地說重量分佈才會真正對眼鏡佩戴者產生影響特別是在全天佩戴的情況下
高通的主AR處理器採用台積電(TSMC)的4nm製程並針對AR工作負載和要求進行了最佳化該公司聲稱Snapdragon AR2 Gen 1平台在執行功耗低於1W的情況下可將AI處理能力提高2.5倍該平台的Wi-Fi延遲低於2毫秒(ms)而動作到光子延遲(即用戶發出動作到顯示於顯示器之間的延遲)為9ms這種高速、低延遲的鏈路使眼鏡能夠承載分散式架構如果沒有快速的Wi-Fi 7連接而所有的處理都需要在眼鏡上完成的話無論是在尺寸、重量、美觀性和佩戴性方面都將令人望而卻步有些其他的解決方案可能會在主機和AR眼鏡之間使用有線連接但無線連接在美觀性和可穿戴方面都更具有優越性
圖3：AR處理器採用TSMC的4nm製程
(來源：Qualcomm)
分散式裝置架構不是一個新概念；大約十年前筆者在一項設計專案中設想關於行動裝置的未來及其支援半導體和網路時就已提出過這種架構
然而隨著高通發佈最新Snapdragon AR2 Gen 1平台這一概念也被擴展到實際的晶片架構中並有可能將曾經只是理論上的東西變為現實——如AR等
(參考原文：Distributed Architecture Puts the ‘Reality’ in ARby Francis Sideco)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號
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