分散式架構為AR帶來「現實」
2023-03-14
作者
Francis Sideco，TIRIAS Research首席分析師
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」。
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，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，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，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。
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，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。
(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。
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，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%。
(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。
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 AR，by Francis Sideco)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2023年3月號
