Apple Vision Pro的空間計(jì)算與主要芯片

ICVIEWS智庫專家：陳巍博士

在WWDC 2023 開發(fā)者大會(huì)上，蘋果宣布了其操作系統(tǒng)和產(chǎn)品的一系列升級(jí)。但最大亮點(diǎn)是Apple Vision Pro，蘋果的首款混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR，即VR+AR）設(shè)備，一經(jīng)發(fā)布就成為世界熱議的焦點(diǎn)。

“今天標(biāo)志著計(jì)算技術(shù)新時(shí)代的開端?！碧O果CEO庫克說，“如同 Mac將我們帶入個(gè)人計(jì)算時(shí)代，iPhone將我們帶入移動(dòng)計(jì)算時(shí)代，Apple Vision Pro將帶我們進(jìn)入空間計(jì)算時(shí)代。

空間計(jì)算

空間計(jì)算是麻省理工學(xué)院Simon Greenwold 在其2003 年的論文中引入的一個(gè)術(shù)語?？臻g計(jì)算的實(shí)用化建立在人工智能 (AI) 、計(jì)算機(jī)視覺、芯片與傳感器的技術(shù)進(jìn)步之上。典型的空間計(jì)算包括自動(dòng)化倉儲(chǔ)、自動(dòng)駕駛、工業(yè)制造、教育培訓(xùn)、游戲娛樂等應(yīng)用場(chǎng)景。

例如在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，通過多傳感器融合和多模態(tài)計(jì)算，來識(shí)別周邊環(huán)境、移動(dòng)物體和人就是典型的空間計(jì)算。通過更強(qiáng)的算法和芯片，車輛就可以挑戰(zhàn)更復(fù)雜的地形和駕駛場(chǎng)景。

空間計(jì)算市場(chǎng)的年復(fù)合增長率為18.3%（來源：http://market.us）空間計(jì)算可以用人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)取代舊場(chǎng)景的計(jì)算。據(jù)國外市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)評(píng)估，新技術(shù)進(jìn)步的引入、智慧城市項(xiàng)目的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)/車聯(lián)網(wǎng)滲透率的不斷提高，空間計(jì)算解決方案的需求會(huì)產(chǎn)生18.3%的年復(fù)合增長率。

3自由度與6自由度對(duì)比（來源：Qualcomm）MR 感知和重建現(xiàn)實(shí)使用SLAM技術(shù)來完成，該技術(shù)經(jīng)常使用在自動(dòng)駕駛和機(jī)器人領(lǐng)域?；赟LAM技術(shù)掃視周圍環(huán)境信息， 使用二維圖像構(gòu)建三維空間。據(jù)稱Apple Vision Pro 具備6自由度（6 DoF- Degree of Freedom）級(jí)別，用戶視角在虛擬場(chǎng)景中不僅可以在俯仰、偏擺及翻滾三個(gè)維度旋轉(zhuǎn)，用戶的身體還可以在前后、上下、左右三個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

典型的3自由度與6自由度XR產(chǎn)品（來源：Raddit）

傳感器處理芯片R1

Apple Vision Pro的核心芯片包括傳感器處理芯片R1和計(jì)算芯片M2。除了這兩顆核心芯片外，Apple Vision Pro還具有17個(gè)傳感器、6個(gè)麥克風(fēng)和兩塊4K級(jí)別的Micro LED作為顯示。據(jù)蘋果稱，新的R1芯片可減少 VR 中的暈動(dòng)癥，其多模態(tài)處理時(shí)間僅為 12 毫秒。R1芯片是首次在蘋果產(chǎn)品家族中正式亮相，目前披露的消息還很少。

R1與M2是Apple Vision Pro的核心處理器（來源：Apple）在iOS 13 中的代碼，早就揭示了這一新的協(xié)處理器的存在。R是其研發(fā)代號(hào)“Rose”的簡(jiǎn)寫，當(dāng)然我們也可以猜測(cè)R也代表了Reality。Rose 協(xié)處理器的第一個(gè)迭代版本 R1 (t2006) 有點(diǎn)類似于 Apple 的 M 系列運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器，可以計(jì)算設(shè)備在空間中的位置，其核心功能是從主系統(tǒng)處理器中卸載大量的傳感器數(shù)據(jù)處理工作。

R1架構(gòu)與周邊連接估計(jì)（作者團(tuán)隊(duì)繪制，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源）

早先的Apple M系列運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器可以在系統(tǒng)主芯片休眠時(shí)，持續(xù)收集、處理和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)的功能，方便應(yīng)用程序在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)檢索數(shù)據(jù)。這減少了設(shè)備的功耗并延長了電池壽命。我們猜測(cè)R1處理器也有類似的功能。R1 的特別之處在于比之前的運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器接入了更多的傳感器，具備更強(qiáng)的處理能力，以生成更準(zhǔn)確的設(shè)備位置圖。R1處理器目前可集中處理來自陀螺儀、加速度計(jì)、氣壓計(jì)和麥克風(fēng)的多模態(tài)數(shù)據(jù)，并增加了慣性測(cè)量單元 (IMU)、藍(lán)牙 5.1、超寬帶 (UWB) 和攝像頭（包括運(yùn)動(dòng)捕捉和光學(xué)跟蹤）傳感器數(shù)據(jù)的多模態(tài)計(jì)算支持。其中藍(lán)牙 5.1 的到達(dá)角 (AoA) 和出發(fā)角 (AoD) 功能可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙測(cè)向。考慮到R1芯片對(duì)接的傳感器需要實(shí)時(shí)計(jì)算，可以預(yù)估R1是一顆低功耗低延遲的多模態(tài)傳感器融合計(jì)算芯片，其上定制了傳感器常用的算子電路，并且具備NPU來支持基于AI的傳感器算法。

應(yīng)用處理器M2芯片

Apple M2 是 Apple 的片上系統(tǒng) (SoC)，之前已經(jīng)用于MacBook Air 和 MacBook Pro 13。

M2架構(gòu)（來源：蘋果）M2具有8 個(gè)CPU內(nèi)核，分為4個(gè)性能內(nèi)核和4個(gè)能效內(nèi)核。性能內(nèi)核提供 192 KB 指令緩存、128 KB 數(shù)據(jù)緩存和 16 MB 共享二級(jí)緩存。效率內(nèi)核要小一些，僅提供 128 KB 指令緩存、64 KB 數(shù)據(jù)緩存和 4 MB 共享緩存。效率內(nèi)核時(shí)鐘頻率為2.4 GHz，性能內(nèi)核的時(shí)鐘頻率則到達(dá) 3.5 GHz。另外M2 中的集成顯卡提供8-10 個(gè)內(nèi)核以及 3.6 TFLOPs 的峰值算力。此外，SoC 集成了一個(gè)具有 16 TOPS 峰值性能的高速16 核神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（屬于DSA，用于 AI 計(jì)算加速）。M2算是Vision Pro里的電老虎了，占據(jù)了主要的功耗。

M2與M1對(duì)比（來源：http://anandtech.com）M2特色是其采用統(tǒng)一的 CPU 和 GPU 內(nèi)核內(nèi)存架構(gòu)，支持高達(dá) 24 GB LPDDR5-6400，帶寬高達(dá) 100GB/s。內(nèi)置于 M2 芯片中的統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)意味著 CPU、GPU 和其他處理器組件無需在彼此之間重復(fù)復(fù)制數(shù)據(jù)，并且能夠訪問統(tǒng)一的數(shù)據(jù)池。

陳巍博士

千芯科技董事長，存算一體/GPU架構(gòu)和AI專家，高級(jí)職稱。中關(guān)村云計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國光學(xué)工程學(xué)會(huì)專家。曾任AI企業(yè)首席科學(xué)家、存儲(chǔ)芯片大廠3D NAND設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人，領(lǐng)軍大陸首個(gè)3D NAND閃存設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、eFlash IP核編譯器、RISC-V/x86/arm兼容AI加速編譯器，相關(guān)工作對(duì)標(biāo)三星、臺(tái)積電、SST。畢業(yè)于清華大學(xué)，中美發(fā)明專利與軟著70+。