時(shí)間倒退至 4 年前，國內(nèi)上演「百箱大戰(zhàn)」的焦點(diǎn)剛剛開始從智能音箱產(chǎn)品本身，轉(zhuǎn)移到 AI 和支持 AI 運(yùn)行的芯片平臺。

2017 年 11 月，杭州國芯在深圳舉辦了一場物聯(lián)網(wǎng) AI 芯片的發(fā)布會，推出了適合音箱、家電、玩具、車載等 AI 產(chǎn)品的 GX8010 物聯(lián)網(wǎng)人工智能芯片，支持本地離線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，具備低功耗、低成本的優(yōu)勢，在國內(nèi)較早地開啟了「AI 賦能之路」。

國芯已經(jīng)有 20 年的歷史，是國內(nèi)最早一批成立的芯片公司，是全球機(jī)頂盒芯片的頂級供應(yīng)商之一，也是 AI 芯片的新興企業(yè)。

經(jīng)過了 4 年的發(fā)展，國芯的 AI 芯片已經(jīng)植入到很多家居和家電產(chǎn)品，并從家庭延伸到了車內(nèi)場景。

△ 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(fā)布會，發(fā)布了首款超低功耗的應(yīng)用在可穿戴領(lǐng)域的 AI 芯片，在極小體積的芯片上，實(shí)現(xiàn)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。

△ 實(shí)現(xiàn)「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(lǐng)域的飛速發(fā)展，見證了人工智能的產(chǎn)品形態(tài)演變。人工智能并不需要機(jī)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(jī)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(rèn)為，人工智能產(chǎn)品的形態(tài)未來還會演變，而國芯的思考，則是如何讓產(chǎn)品端更便捷地接入到 AI 大腦，即「喚醒」功能的實(shí)現(xiàn)。

△ AirPods 二代、小米 Air 2S、vivo TWS Neo 等支持語音喚醒的 TWS 產(chǎn)品

過去，在智能音箱、家居、車載等領(lǐng)域，喚醒的體驗(yàn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在可穿戴產(chǎn)品上卻仍然面臨著體積、功耗等挑戰(zhàn)。而如今，國芯通過 GX8002 來解決了這些問題。

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(yōu)勢。

△ 智慧穿戴，從芯啟航 / 杭州國芯 AI 事業(yè)部總經(jīng)理 凌云

從芯片的架構(gòu)上來看，它的規(guī)格并不復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(fù)責(zé)判斷是否有人說話。

當(dāng)麥克風(fēng)檢測到有人說話時(shí)，則啟動 NPU 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(dāng)，平頭哥 CK804 是一款輕量級的 32bit 低功耗 MCU，集成了 DSP 與浮點(diǎn)運(yùn)算單元。

△ 國芯 GX8002 芯片架構(gòu)

國芯 GX8002 可接入豐富的外設(shè)，除了藍(lán)牙主控芯片外，還支持模擬麥克風(fēng)、數(shù)字麥克風(fēng)、以及當(dāng)下流行的骨傳導(dǎo)麥克風(fēng)。

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(jié)省了 PCB 的面積，進(jìn)而節(jié)省了成本。

△ 國芯 GX8002 芯片實(shí)拍圖

同時(shí)封裝進(jìn)芯片的還有 208KB SRAM 和 256KB/512KB Flash。

這是一顆超低功耗的芯片

在可穿戴設(shè)備里做語音喚醒，面臨的主要挑戰(zhàn)就是功耗。

對比過去用于智能音箱的傳統(tǒng)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(shù)字麥克風(fēng)，功耗也要 1mW。

△ 傳統(tǒng)語音芯片功耗

國芯 GX8002 將語音喚醒的功耗帶入了「微瓦」時(shí)代。

在 VAD 待機(jī)情況下，功耗可以低至 70uW；在 VAD 檢測到人聲，進(jìn)行喚醒識別的工作狀態(tài)下，功耗為 0.6mW，甚至低于一顆數(shù)字麥克風(fēng)的功耗。

△ 國芯 GX8002 典型應(yīng)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(tài)相對應(yīng)的電流數(shù)據(jù)分別為：20uA、180uA、90uA。

△ 低功耗演示：1.8V/0.85V 供電，使用模擬麥克風(fēng)，國芯 GX8002 在待機(jī)/短指令喚醒的切換中，實(shí)時(shí)功耗的數(shù)據(jù)

* 注：演示視頻中是兩路供電，功耗需要相加。

超低功耗 AI 語音喚醒背后的技術(shù)支撐

實(shí)現(xiàn)超低功耗 AI 語音喚醒，背后有兩個(gè)模塊的支撐，其一是 NPU，其二是 VAD。

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

它可以實(shí)現(xiàn)更高的指令效率和計(jì)算效率，更好網(wǎng)絡(luò)量化壓縮能力，支持 DNN/CNN/LSTM 等主流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，能效比是普通DSP的十倍以上。同時(shí)，它是一個(gè)完全可編程的結(jié)構(gòu)，具有統(tǒng)一的工具鏈，可以無縫對接 TensorFlow 等訓(xùn)練平臺。

△ 國芯第二代 gxNPU V200 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器

VAD 的性能直接決定了這顆芯片的工作狀態(tài)。

傳統(tǒng) VAD 基于能量做判斷，人聲高一些 VAD 就會被激活，反之則待機(jī)。當(dāng)處于地鐵車廂、公交車站等背景嘈雜的環(huán)境中時(shí)，人聲淹沒在環(huán)境噪音中，傳統(tǒng) 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(jī)制，輔之以自動調(diào)節(jié)閾值的策略，再通過聲學(xué)計(jì)算，即便在復(fù)雜的環(huán)境噪音中，也能準(zhǔn)確地判斷出人聲。

同時(shí)，國芯在 VAD 上運(yùn)行的算法已經(jīng)固化到了硬件上，不依賴于 CPU，因此進(jìn)一步地節(jié)省了功耗。

△ 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(jī)的環(huán)境中，國芯的實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，設(shè)備日常使用 VAD 的待機(jī)比例大部分情況下，是大于 70% 的。

只有在咖啡館等環(huán)境人聲非常復(fù)雜的環(huán)境，VAD 只有一半的時(shí)間在待機(jī)，而另外一半的工作時(shí)間，VAD 在對背景噪音做實(shí)時(shí)判斷和過濾，對于那些不符合喚醒標(biāo)準(zhǔn)的聲音，則不啟動 NPU。

這也就意味著，在日常隨行的場景下，設(shè)備約70%的時(shí)間處在最低功耗的70uW待機(jī)模式，而傳統(tǒng) VAD 一旦失效會讓整個(gè)芯片都需要全速計(jì)算，計(jì)算功耗可想而知。

△ 國芯團(tuán)隊(duì) VAD 實(shí)測數(shù)據(jù)

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

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

超低功耗 AI 語音喚醒的應(yīng)用

國芯 GX8002 將 AI 語音喚醒帶入了微瓦時(shí)代，從而為可穿戴設(shè)備打開了更大的應(yīng)用空間。三大主要應(yīng)用領(lǐng)域總結(jié)為：

1. 語音喚醒，實(shí)現(xiàn)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(dǎo) AI 通話降噪。

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

國芯 GX8002 首推 3x3 的 QFN20 的封裝，便于生產(chǎn)和貼裝。國芯還計(jì)劃在今年第三季度，推出更小、更緊密的 1.4x2.4 規(guī)格的 WLCSP 封裝，適合更精密的設(shè)備。

如何在可穿戴設(shè)備上集成 GX8002 這顆芯片呢？

國芯 GX8002 與藍(lán)牙主控芯片搭配使用，就如同為藍(lán)牙芯片增加了一個(gè)語音開關(guān)按鍵，通過共用的麥克風(fēng)，實(shí)現(xiàn)語音觸發(fā)。

這就極大地方便了那些使用成熟藍(lán)牙方案的設(shè)備商，在不改變原有芯片設(shè)計(jì)的情況下，花上半天到一天的調(diào)試時(shí)間，輕松、靈活地通過疊加 AI 芯片的方式，將藍(lán)牙耳機(jī)升級為智能耳機(jī)，為設(shè)備增加賣點(diǎn)。

△ 國芯 GX8002 典型應(yīng)用框圖：模擬/數(shù)字?直連 - 內(nèi)置 Flash - 內(nèi)置晶振 - I2C/串口通訊

可穿戴設(shè)備為什么需要智能語音？

近年來，隨著 TWS 耳機(jī)的橫空出世，可穿戴設(shè)備再一次成為市場的焦點(diǎn)、熱點(diǎn)。

△ IDC 可穿戴數(shù)據(jù) / 杭州國芯 AI 事業(yè)部副總經(jīng)理 陳滬東

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

對于手機(jī)廠商而言，耳機(jī)上的 AI 語音喚醒一來可以提高語音助手的應(yīng)用頻次，降低息屏喚醒的功耗。二來可以為手機(jī)中眾多 app 提供便捷的語音調(diào)用入口，并結(jié)合 app 的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)智能的語音點(diǎn)播，從而極大地提升用戶的使用體驗(yàn)。

而對耳機(jī)設(shè)備商而言，無論是品牌耳機(jī)還是白牌耳機(jī)，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。

△ vivo X50 Pro + vivo TWS Neo 語音喚醒

國芯敏銳地發(fā)現(xiàn)了「AI + 智能穿戴」的市場機(jī)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(shè)備的功耗、成本與性能。

為了更好地服務(wù)設(shè)備商，國芯還整合了包括技術(shù)、云端平臺、算法、藍(lán)牙芯片在內(nèi)的諸多合作伙伴資源，共同為 TWS 耳機(jī)、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(shè)備賦能。

灣里小結(jié)

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(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了很多跨領(lǐng)域技術(shù)的突破，包括音頻信號處理、語音喚醒算法、 NPU 異構(gòu)計(jì)算、多級喚醒、VAD 技術(shù)。

為了方便設(shè)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(shè)計(jì)，同時(shí)采用了低壓工藝和立體 SIP 封裝，把閃存和內(nèi)存都封裝了進(jìn)去。

同時(shí)，它還很好地平衡了功耗與性能。每顆 0.65 美金起（按累計(jì)采購量階梯優(yōu)惠）的價(jià)格，更為這顆芯片在手機(jī)廠商和可穿戴設(shè)備商的應(yīng)用推廣，提供了成本保障。

過去因?yàn)楣牡仍虿桓蚁搿⒉桓易龅氖虑椋缃穸疾怀蓡栴}了。在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域，國芯將助力設(shè)備商，打開一個(gè)新的世界。

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主筆：陳壹零 / 深圳灣

編輯：陳達(dá)達(dá) / 深圳灣