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【深圳灣】在可穿戴設備上跑 AI,國芯解決了讓你頭疼的功耗和成本問題

發布時間:2020-07-22

【2020-7-21 深圳灣 報道】


國芯首款超低功耗可穿戴 AI 芯片 GX8002 發布,打開 AI 在可穿戴領域的新世界

 

時間倒退至 4 年前,國內上演「百箱大戰」的焦點剛剛開始從智能音箱產品本身,轉移到 AI 和支持 AI 運行的芯片平臺。

 

2017 年 11 月,杭州國芯在深圳舉辦了一場物聯網 AI 芯片的發布會,推出了適合音箱、家電、玩具、車載等 AI 產品的 GX8010 物聯網人工智能芯片,支持本地離線神經網絡計算,具備低功耗、低成本的優勢,在國內較早地開啟了「AI 賦能之路」。

 

國芯已經有 20 年的歷史,是國內最早一批成立的芯片公司,是全球機頂盒芯片的頂級供應商之一,也是 AI 芯片的新興企業。

 

經過了 4 年的發展,國芯的 AI 芯片已經植入到很多家居和家電產品,并從家庭延伸到了車內場景。

 

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△ 家庭場景、車載場景,GX8010 的落地案例

 


而今天,2020 年 7 月 21 日,國芯在杭州召開了發布會,發布了首款超低功耗的應用在可穿戴領域的 AI 芯片,在極小體積的芯片上,實現了語音喚醒、指令識別、AI 降噪、模式識別等功能,開啟了全新的基于「人-車-家」全場景的落地之路。

 

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△ 實現「人-車-家」AI 全場景覆蓋 / 杭州國芯 CEO 黃智杰

 


國芯在過去 4 年,見證了人工智能領域的飛速發展,見證了人工智能的產品形態演變。人工智能并不需要機器人一般龐大的軀殼,智能音箱就能解決很多問題。

 

而 2018 年蘋果 AirPods 二代的推出,更是將耳機變成了隨身的語音助手,不需要多大的體積,讓 AI 可以跟著人走。

 

國芯認為,人工智能產品的形態未來還會演變,而國芯的思考,則是如何讓產品端更便捷地接入到 AI 大腦,即「喚醒」功能的實現。

 

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△ AirPods 二代、小米 Air 2S、vivo TWS Neo 等支持語音喚醒的 TWS 產品

 


過去,在智能音箱、家居、車載等領域,喚醒的體驗已經相當成熟,但在可穿戴產品上卻仍然面臨著體積、功耗等挑戰。而如今,國芯通過 GX8002 來解決了這些問題。

 

 

01 這是一顆集成度高的芯片

 

國芯 GX8002 是一顆超低功耗 AI 語音喚醒芯片,具備功耗低、體積小、成本低的優勢。

 

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△ 智慧穿戴,從芯啟航 / 杭州國芯 AI 事業部總經理 凌云

 


從芯片的架構上來看,它的規格并不復雜,設計卻很精巧。下圖中的綠色部分的 VAD 模塊,為國芯自研的高性能語音活動檢測器,負責判斷是否有人說話。

 

當麥克風檢測到有人說話時,則啟動 NPU 神經網絡處理器。gxNPU V200 是國芯自研的第二代 NPU,支持 DNN/CNN/RNN 等。

 

而 MCU 則采用的是平頭哥 CK804 處理器。與 Arm M4 處理器相當,平頭哥 CK804 是一款輕量級的 32bit 低功耗 MCU,集成了 DSP 與浮點運算單元。

 

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△ 國芯 GX8002 芯片架構

 


國芯 GX8002 可接入豐富的外設,除了藍牙主控芯片外,還支持模擬麥克風、數字麥克風、以及當下流行的骨傳導麥克風。

 

值得一提的是,國芯 GX8002 將過去外置的晶振也集成到了芯片里,從而節省了 PCB 的面積,進而節省了成本。

 

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△ 國芯 GX8002 芯片實拍圖

 


同時封裝進芯片的還有 208KB SRAM 和 256KB/512KB Flash。

 

 

02 這是一顆超低功耗的芯片

 

在可穿戴設備里做語音喚醒,面臨的主要挑戰就是功耗。

 

對比過去用于智能音箱的傳統智能語音芯片,其功耗為 1000mW;集成 DSP 的智能家居芯片,其功耗為 100mW;而即便是最小單元的數字麥克風,功耗也要 1mW。

 

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△ 傳統語音芯片功耗

 


國芯 GX8002 將語音喚醒的功耗帶入了「微瓦」時代。

 

在 VAD 待機情況下,功耗可以低至 70uW;在 VAD 檢測到人聲,進行喚醒識別的工作狀態下,功耗為 0.6mW,甚至低于一顆數字麥克風的功耗。

 

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△ 國芯 GX8002 典型應用功耗

 


而在日常的使用中,平均 70% 為 VAD 的工作模式下,國芯 GX8002 的平均功耗小于 300uW。三種狀態相對應的電流數據分別為:20uA、180uA、90uA。

 

 

03 超低功耗 AI 語音喚醒背后的技術支撐

 

實現超低功耗 AI 語音喚醒,背后有兩個模塊的支撐,其一是 NPU,其二是 VAD。

 

在極小體積的芯片上進行語音喚醒、指令識別、AI 降噪、模式識別等運算,國芯第二代 NPU 較初代有了很多改進。

 

它可以實現更高的指令效率和計算效率,更好網絡量化壓縮能力,支持 DNN/CNN/LSTM 等主流神經網絡計算,能效比是普通DSP的十倍以上。同時,它是一個完全可編程的結構,具有統一的工具鏈,可以無縫對接 TensorFlow 等訓練平臺。

 

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△ 國芯第二代 gxNPU V200 神經網絡處理器

 


VAD 的性能直接決定了這顆芯片的工作狀態。

 

傳統 VAD 基于能量做判斷,人聲高一些 VAD 就會被激活,反之則待機。當處于地鐵車廂、公交車站等背景嘈雜的環境中時,人聲淹沒在環境噪音中,傳統 VAD 常常就會失效。

 

國芯自研的 VAD 則通過多維度的特征分析和判斷機制,輔之以自動調節閾值的策略,再通過聲學計算,即便在復雜的環境噪音中,也能準確地判斷出人聲。

 

同時,國芯在 VAD 上運行的算法已經固化到了硬件上,不依賴于 CPU,因此進一步地節省了功耗。

 

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△ 國芯自研 VAD 對人聲的判斷

 


在辦公室、地鐵、公交車、咖啡館、馬路邊等日常佩戴 TWS 耳機的環境中,國芯的實測數據顯示,設備日常使用 VAD 的待機比例大部分情況下,是大于 70% 的。

 

只有在咖啡館等環境人聲非常復雜的環境,VAD 只有一半的時間在待機,而另外一半的工作時間,VAD 在對背景噪音做實時判斷和過濾,對于那些不符合喚醒標準的聲音,則不啟動 NPU。

 

這也就意味著,在日常隨行的場景下,設備約70%的時間處在最低功耗的70uW待機模式,而傳統 VAD 一旦失效會讓整個芯片都需要全速計算,計算功耗可想而知。

 

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△ 國芯團隊 VAD 實測數據

 


在低功耗的支持下,對于只配備一塊 60mAh 紐扣電池的設備來說,它的待機時間可以長達 27 天。如果配置 2000mAh 的 18650 鋰電池,使用國芯 GX8002 做喚醒,其待機更是能持續 925 天。

 

這里需要指出的是,國芯 GX8002 還支持骨傳導傳感器,增加骨傳導傳感器可用于 OVVP(Own Voice Vibration Pick-up)校驗,一方面實現更準確的 VAD,另一方面更可以判斷喚醒設備的是本人說話還是環境音,這樣再也不用擔心別人喊一聲把自己的設備喚醒的尷尬。

 

 

04 超低功耗 AI 語音喚醒的應用

 

國芯 GX8002 將 AI 語音喚醒帶入了微瓦時代,從而為可穿戴設備打開了更大的應用空間。三大主要應用領域總結為:

 

    1.語音喚醒,實現大于 95% 的綜合喚醒率和小于每天 1 次的誤喚醒率;

    2.離線指令,支持 20 條自定義的快捷指令,如接聽電話、播放控制等;

    3.AI 通話降噪,如基于單麥/雙?/?傳導 AI 通話降噪。

 

考慮到可穿戴設備的體積小,國芯不僅在芯片上集成了很多過去需要外設的器件,同時在封裝上也為設備商提供了諸多便利。

 

國芯 GX8002 首推 3x3 的 QFN20 的封裝,便于生產和貼裝。國芯還計劃在今年第三季度,推出更小、更緊密的 1.4x2.4 規格的 WLCSP 封裝,適合更精密的設備。

 

如何在可穿戴設備上集成 GX8002 這顆芯片呢?

 

國芯 GX8002 與藍牙主控芯片搭配使用,就如同為藍牙芯片增加了一個語音開關按鍵,通過共用的麥克風,實現語音觸發。

 

這就極大地方便了那些使用成熟藍牙方案的設備商,在不改變原有芯片設計的情況下,花上半天到一天的調試時間,輕松、靈活地通過疊加 AI 芯片的方式,將藍牙耳機升級為智能耳機,為設備增加賣點。

 

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△ 國芯 GX8002 典型應用框圖:模擬/數字?直連 - 內置 Flash - 內置晶振 - I2C/串口通訊

 



05 可穿戴設備為什么需要智能語音?

 

近年來,隨著 TWS 耳機的橫空出世,可穿戴設備再一次成為市場的焦點、熱點。

 

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△ IDC 可穿戴數據 / 杭州國芯 AI 事業部副總經理 陳滬東

 


毋庸置疑,TWS 耳機成為智能音箱后的下一個入口。而在隨身場景,具備語音 AI 功能的 TWS 耳機,將成為手機之外更適合語音助手的載體。

 

對于手機廠商而言,耳機上的 AI 語音喚醒一來可以提高語音助手的應用頻次,降低息屏喚醒的功耗。二來可以為手機中眾多 app 提供便捷的語音調用入口,并結合 app 的內容實現智能的語音點播,從而極大地提升用戶的使用體驗。

 

而對耳機設備商而言,無論是品牌耳機還是白牌耳機,打通語音 AI 的硬件和軟件,為用戶提供更豐富的功能,也是未來的趨勢。

 

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△ vivo X50 Pro + vivo TWS Neo 語音喚醒

 


國芯敏銳地發現了「AI + 智能穿戴」的市場機會,以最快的速度推出了一顆專用 AI 語音芯片,相比市面上單芯片和外掛 DSP 的方式,它能更好地平衡設備的功耗、成本與性能。

 

為了更好地服務設備商,國芯還整合了包括技術、云端平臺、算法、藍牙芯片在內的諸多合作伙伴資源,共同為 TWS 耳機、智能眼鏡、智能手表、以及帶有離線功能控制的其他可穿戴設備賦能。

 



06 灣里小結

 

國芯 GX8002 超低功耗可穿戴芯片,雖小卻并不簡單,它繼承了國芯在語音 AI 芯片領域多年的經驗,并實現了很多跨領域技術的突破,包括音頻信號處理、語音喚醒算法、 NPU 異構計算、多級喚醒、VAD 技術。

 

為了方便設備商的快速集成,國芯還在這顆芯片上做了低功耗 ADC、電源管理、無晶振設計,同時采用了低壓工藝和立體 SIP 封裝,把閃存和內存都封裝了進去。

 

同時,它還很好地平衡了功耗與性能。每顆 0.65 美金起(按累計采購量階梯優惠)的價格,更為這顆芯片在手機廠商和可穿戴設備商的應用推廣,提供了成本保障。

 

過去因為功耗等原因不敢想、不敢做的事情,如今都不成問題了。在可穿戴設備領域,國芯將助力設備商,打開一個新的世界。


主筆:陳壹零 / 深圳灣
編輯:陳達達 / 深圳灣


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