Exynos：技術密集的系統半導體
首篇特輯報導，將介紹Exynos行動處理器的兩大要角－GPU和ISP。在專訪七項IP的研發負責人之前，三星新聞中心首先訪問三星資深副總裁暨系統半導體（System LSI）事業部SoC研發部門負責人Mingoo Kim。
Kim首先說明為何要將多項功能整合至SoC單晶片，他表示：「若採取多顆晶片，會增加整體功耗的管理難度。而且電池必須分別供電給各項功能，導致電池效率下降。此外，頻寬限制和傳輸延遲，將影響晶片之間的資料傳輸，使整體效能下滑。」功耗最小化對手機而言至關重要，畢竟手機不像桌上型電腦能隨時連接電源。
「SoC採用全面電源管理方案，可以提升效率。此外，單晶片架構在手機內部佔用的空間更小。」Kim解釋道。「由單晶片控制所有功能，將大幅提升效能。」現在手機的用途已遠超出打電話和傳簡訊，其可執行各式各樣的先進功能，例如錄影、玩遊戲和使用金融服務。而這一切均仰賴比大拇指指甲還小的SoC晶片實現。
SoC是現有資訊科技的集大成者，Kim形容其為「系統半導體的精華」。「SoC研發的難度很高，但前途無量，是所有工程師嚮往的領域。未來SoC在產業的應用，包括元宇宙、自動駕駛和6G等，擁有無限可能。」
三星將持續專注研發各項專利IP，包括GPU、NPU、ISP、數據機、射頻（RF）等。晶片設計業務的下一階段目標，是打造平台解決方案。Kim表示：「憑藉三星在SoC的技術優勢，我們將努力優化Exynos，成為公認的最佳行動處理器。期望透過本次特輯報導，可以讓更多人瞭解SoC的用途和重要性、Exynos的特色與優勢，以及未來的發展方向。」
擴大手機遊戲的可能：GPU增強繪圖處理能力
一般而言，繪圖處理需要進行大規模運算，若採用平行處理會更快、更有效率。然而，CPU的架構適合快速執行序列處理。因此，採取連續執行運算工作的CPU，將導致繪圖處理出現重大延遲。以玩遊戲為例，由於顯示螢幕仍在渲染圖形，導致觸控輸入延遲，玩家可能無法閃避敵人的攻擊。
為了解決上述問題，GPU應運而生。在GPU未誕生之前，CPU獨挑大樑，但GPU就像一個加速器，可以處理相似且頻繁出現的運算工作，進而提升效率。簡言之，CPU負責一般計算，GPU則專門執行圖形的大規模平行處理。這便是GPU的由來，後來也發展為繪圖處理的關鍵零組件。GPU從CPU接收指令，並將物體的形狀、位置、顏色和紋理顯示在螢幕中。
Exynos 2200搭載的Xclipse 920，是三星與AMD合作研發的首款行動GPU。AMD是位於美國的半導體公司，專門生產個人電腦和遊戲主機用GPU。Xclipse名稱結合Exynos的「X」和「eclipse」一詞，象徵三星突破手機遊戲效能極限、達到遊戲主機等級，藉此開啟行動遊戲新時代的決心。
▲三星電子副總裁Sungboem Park是行動處理器設計專家，掌管GPU研發部門。
基於此理念，三星攜手AMD打造出高能源效率、效能媲美遊戲主機的手機GPU。由於AMD的GPU適用於個人電腦和遊戲主機，所以必須依據手機規格重新設計，尤其需針對手機相對較低的記憶體頻寬進行調整，並解決散熱問題。三星電子副總裁Sungboem Park是行動處理器設計專家，掌管GPU研發部門，他表示：「三星從研發行動SoC中累積低功耗設計的大量知識，成功打造出高能源效率與微型化的第一代產品。我們著重於如何大幅降低GPU溫度，因為手機並不像遊戲主機有風扇可以散熱，並能同時維持高效能、避免畫面延遲。」
Exynos內的GPU，主要負責在智慧型手機的2D螢幕上，顯示3D虛擬空間裡的物體，在玩跑圖吃重的手機遊戲時尤其重要。此外，Xclipse 920是首款導入硬體加速光線追蹤技術（RT）的行動GPU，此技術透過模擬3D物體反射的光線，呈現逼真的照射效果。由於Xclipse 920採用硬體、而非軟體加速，故能更快執行即時運算。此外，可變解析度渲染（VRS）技術能依據螢幕物體的顏色、陰影、動作等變數調整GPU運算量，避免負荷過重。
▲Xclipse 920採用專用硬體加速光線追蹤技術（RT），透過模擬3D物體反射的光線，呈現逼真的照射效果。
隨著玩家人數日增，圖形也越來越細膩，GPU的研發走向至關重要。這包括將效能提升至高階遊戲主機等級，同時降低耗電量。如此一來，手機亦能顯示與遊戲主機相同的超逼真圖形。Park表示：「一般而言，手機繪圖技術會比遊戲主機落後五年左右；但透過與AMD合作，三星成功在短時間內，將最先進的遊戲主機技術整合至Exynos 2200。而Galaxy S22旗艦系列即搭載此SoC。接下來，三星將持續與AMD密切合作，導入RDNA系列其他功能。」
當被問及行動GPU未來研發方向，Park回答：「現今市面上的智慧型手機均達一定水準，所以確實很難做出讓消費者有感的顯著升級。日後，吸引旗艦機種用戶換機的主要誘因，將會是遊戲表現，所以決定手機遊戲效能的GPU技術，勢必需要更上一層。」
Park預期，行動GPU在AR和VR領域扮演的角色也會更重要。他解釋：「若用於AR，GPU必須放入眼鏡等輕薄的裝置，需透過低功耗設計來實現。至於VR，為了將整個虛擬世界即時渲染至眼前，對效能的要求相當高。三星除了要滿足各項研發要求，亦須能在更短時間內生成栩栩如生的影像。因此，未來行動GPU技術發展十分關鍵，具備無限的應用潛力。」
相機效能好上加好：ISP使影像更自然生動
ISP負責校正影像感光元件輸出的原始訊號，並按照用戶期望的格式生成照片或影片。此外，相機模組（涵蓋一組光學系統和影像感光元件）可能受限於物理限制，亦需仰賴ISP進行紅綠藍（R/G/B）內插補點（interpolation）和消除雜訊。此關鍵零組件亦執行後端影像處理，包括調整影片亮度和強化細節等。簡言之，影像訊號經過ISP的微調與後端處理，將轉換成令用戶滿意的照片或影片。
▲手機鏡頭內ISP的作業流程
早期，手機採用獨立的ISP晶片；後來因應市場需求，嵌入式解決方案漸成主流。「起初，三星與海外研究機構合作，研發數位相機等級的高效能ISP。」Jongseong Choi表示，他是三星電子多媒體研發團隊專案負責人（PL），在影像處理技術領域擁有逾20年經驗。「而Galaxy S4的主鏡頭，即搭載三星第一代嵌入式ISP解決方案。」自2012年起，Exynos行動處理器結合內建ISP，使手機相機的影像畫質顯著提升，足以媲美DSLR數位單眼相機。
▲三星電子多媒體研發團隊專案負責人Jongseong Choi在影像處理技術領域擁有逾20年經驗。
得益於高效能ISP，用戶攝影時可明顯感受影像畫質與處理速度提升。Choi解釋道：「攝影是主觀的，照片品質難以量化；但三星正執行多項研究，例如深度學習影片評估、ISP微調技術等，以產生更自然銳利的照片和影片。」此外，ISP會影響相機的連拍速度，以及快速處理高解析度照片與影片的能力。
新一代Exynos處理器的高效能ISP，可處理高達2億（200MP）畫素的超高解析度圖像。其搭載七個影像感光元件，能同時處理其中四個影像感光元件的影像訊號。亦能結合語義分割技術（semantic segmentation technology）和NPU辨識拍攝場景，如天空、樹叢、皮膚等，並針對影像中各元素套用不同參數。而AI技術可辨識並標記人臉，再依據臉部座標調整影像的亮度、焦距和顏色。
▲運用語義分割技術進行內容感知影像處理的範例
當被問及ISP的未來研發方向，Choi表示將以兼顧低功耗和提升影片畫質為主。「雖然ISP可以即時處理影像感光元件輸出的資料，但現在資料量呈倍數成長。」他說。「因此，資料寫入記憶體以及隨之而來的擷取階段，皆會產生大量功耗。有鑑於此，Exynos搭載的ISP將資料一次存入記憶體，以實現最低功耗。」他強調。
Choi最後提到：「因應影音世代提早來臨，影像品質最佳化會是我們接下來的工作重點。而這包括在暗處或低光源環境中拍攝的影片，透過全面提升畫質表現，三星將更具競爭優勢。」
*本文所有圖像均為示意圖，僅供參考，可能與實際產品或產品拍攝圖像有所差異。所有圖像經數位編輯、修改或優化。
