拓展可穿戴、IoT設計差異化，從DSP內核看起

在物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，終端產(chǎn)品設計會(huì )是多種多樣的。無(wú)論是可穿戴產(chǎn)品、智能家居、汽車(chē)電子、消費電子或是工業(yè)物聯(lián)等領(lǐng)域，在對IoT產(chǎn)品進(jìn)行設計時(shí)，確保產(chǎn)品多樣性和個(gè)性差異化是每個(gè)電子設計師時(shí)常思考的問(wèn)題。日前，DSP內核和硅(Silicon)IP授權的主要廠(chǎng)商，美國思華科技(CEVA)在其技術(shù)論壇上給出了對于IoT市場(chǎng)的平臺架構策略以及對于IoT產(chǎn)品差異化的設計建議。

CEVA市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁Eran Briman表示，“作為市場(chǎng)份額第一的DSP IP廠(chǎng)商，全球范圍內已有超過(guò)55億顆基于CEVA技術(shù)的芯片被廣泛應用于各類(lèi)市場(chǎng)，超過(guò)250家業(yè)界領(lǐng)先的半導體企業(yè)，如博通(Broadcom)、瑞薩(Renesas)、三星、以及中國領(lǐng)先的公司，如瑞芯微(Rockchip)、展訊(Spreadtrum)、中興通訊(ZTE)等都采用了CEVA授權的DSP或IP內核，并應用到各行各業(yè)的電子產(chǎn)品中。隨著(zhù)可穿戴、IoT行業(yè)的興起，很多知名產(chǎn)品也都采用CEVA授權的IP。我們關(guān)注到IoT技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節包括：互聯(lián)(Connectivity)、傳感(Sensing)、處理(Processing)，每個(gè)環(huán)節有著(zhù)不同層面的設計挑戰，需要更靈活、可擴展、低功耗的架構來(lái)滿(mǎn)足多樣化和差異化的市場(chǎng)需求。”

互聯(lián)：如何靈活適應多種連接技術(shù)?

IoT時(shí)代的產(chǎn)品所需具備的最基本特性就是互聯(lián)互通性，該層面的挑戰也來(lái)自于越來(lái)越多的連接技術(shù)標準所帶來(lái)的困擾。Eran Briman表示，“對于不同地域、不同行業(yè)、不同產(chǎn)品所使用的連接標準也不盡相同，對設計人員而言，下一代的產(chǎn)品可能在兼容上一代連接技術(shù)的基礎上，還需要增添新的連接技術(shù)。所以在連接層面，具備靈活性、可擴展性、模塊化，可隨需求定制的平臺來(lái)支持各類(lèi)標準十分重要。”

CEVA給出其IoT連接層面的模塊化平臺架構建議，包括Wi-Fi、藍牙、通用硬件加速模塊，以及其Teaklite-4的DSP內核(圖1)。“該平臺具有靈活可擴展的優(yōu)勢，Teaklite-4可以針對不同的連接標準來(lái)適配，完成來(lái)自不同物理層的處理，針對不同設計可以隨意去除某個(gè)模塊設計，如去掉Wi-Fi模塊，而對整體構架不造成影響。對快速的原型開(kāi)發(fā)更為有益，” Eran Briman介紹道，“在數月前，通過(guò)并購RivieraWaves公司，CEVA擁有了自己(in-house)的Wi-Fi、藍牙和低功耗藍牙 (BLE) 連接性平臺IP的完整解決方案。再加上CEVA和合作伙伴共同提供的Zigbee(802.15.4)和PLC方案，使CEVA的連接構架可以支持IoT設備目前主流的幾大連接技術(shù)。”

Eran Briman進(jìn)一步介紹道，“CEVA目前的Wi-Fi平臺是業(yè)界小尺寸、低功耗解決方案的標桿。有適用于穿戴式設備的低功耗、價(jià)格敏感的Wi-Fi解決方案，也有支持包括智能手機、智能電視等消費類(lèi)電子的Wi-Fi方案。更有支持高數據吞吐的網(wǎng)關(guān)Wi-Fi方案。在藍牙方面，CEVA藍牙平臺包括有應用于穿戴式設備的Bluetooth 4.x 單模/BLE方案，也有適合智能終端產(chǎn)品的多模方案。 在通信領(lǐng)域，CEVA已在3G/4G-LTE基帶領(lǐng)域擁有絕對的優(yōu)勢，CEVA也希望通過(guò)此次收購，把優(yōu)勢延續到其它的連接技術(shù)中，使半導體客戶(hù)可以通過(guò)CEVA把更多連接技術(shù)，如將Wi-Fi、Bluetooth納入到單顆SoC設計中，這也符合芯片集成度提升的趨勢。”

傳感：如何發(fā)揮低成本傳感器價(jià)值?

傳感能力是IoT設備所需具備的第二特性。據Eran Briman介紹， “在這個(gè)層面，功耗控制和處理能力顯得尤為重要。IoT設備發(fā)展至今所具備感知環(huán)境的能力也大大增加，很多設備集成了大量的傳感器，所需處理的傳感器數據也呈指數上升。但同時(shí)隨著(zhù)成本壓力的上升，如何能更好的發(fā)揮出低成本、低功耗傳感器的價(jià)值也值得探討。”

通常低成本、低功耗傳感器的傳感精度低、噪聲水平較高，對系統，尤其是功耗水平的控制和處理能力的增強，提出了更高要求。為此Eran Briman表示，“對于CEVA而言，一方面平臺要融合更多的傳感器，增強對環(huán)境的感知，同時(shí)也要通過(guò)DSP提升處理能力，來(lái)更好的處理這些傳感器數據。包括像麥克風(fēng)、攝像頭等較復雜的音視頻傳感器，對DSP在降噪、圖像增強等方面的處理能力的要求也更高。當然對于IoT設備，特別是可穿戴產(chǎn)品需要永遠工作(Always-On)，也就意味著(zhù)傳感器會(huì )隨時(shí)感應(Always-Sensing)，把功耗控制降到最低是另一個(gè)至關(guān)重要的方面。CEVA提出基于單顆DSP的多傳感器技術(shù)，不但可以從硬件上支持多種傳感器，可以與AP交互，同時(shí)軟件層面通過(guò)合作，也可提供包括傳感器融合(Sensor Fusion)、語(yǔ)音觸發(fā)(Voice Trigger)、手勢識別、臉部識別的眾多解決方案以及CEVA自己提供的BLE Beacons的解決方案。其中，更值得關(guān)注的是，在28 nm HPM應用案例中，同時(shí)運行Always-on、Sensor Fusion、語(yǔ)音觸發(fā)、臉部識別和BLE的情況下，功耗仍能控制在小于150uW的水平，完全可勝任穿戴式產(chǎn)品Always-on的功耗要求。”

處理：IoT設備需要怎樣的處理能力?

具備處理能力是使IoT設備擁有智能的關(guān)鍵。IoT數據在哪里進(jìn)行處理，是一個(gè)困擾設計人員的兩難話(huà)題。Eran Briman 表示，“以往我們都覺(jué)得對數據的處理能力通常由云端來(lái)完成，但發(fā)展經(jīng)驗證明IoT設備自身?yè)碛斜镜靥幚砟芰?Edge Processing)變得越來(lái)越重要?；旧蠈τ谳p量級處理量、小規模數據庫、涉及安全/隱私信息、低延時(shí)需求、上傳到云端會(huì )增加功耗開(kāi)銷(xiāo)等情況下，更傾向于在本地設備端(Local)處理數據，相反對于大數據庫搜尋、機器學(xué)習、非隱私性信息則傾向于云端處理。”但事實(shí)上，對于如何合理分配處理能力并同時(shí)平衡功耗、效率等問(wèn)題往往要復雜的多。”Eran Briman進(jìn)一步給出意見(jiàn)，“功效第一和分層處理是關(guān)鍵。首先把處理需求分層，從底層往上，決策邏輯、DSP、包涵CPU/GPU的SoC、再到與云端對接。通過(guò)這種分層來(lái)選擇合適的解決方案應對具體的處理需求，才能達到更好的功耗與性能平衡。當然實(shí)際設計起來(lái)仍將會(huì )是一個(gè)需要妥協(xié)的問(wèn)題。”

針對不同處理需求，CEVA提出IoT整體的參考設計方案(圖2)，包括有CEVA提供的互連互通方案平臺、針對Always –on Sensor 處理的CEVA-TL410 DSP核與平臺、適合語(yǔ)音分析的本地DSP核和處理平臺 CEVA-TL421，以及適合計算機視覺(jué)、視頻處理的本地DSP核和處理平臺CEVA-MM3101。

特別值得一提的是對于圖像和視覺(jué)處理市場(chǎng)，處理能力的差異將直接導致產(chǎn)品的差異化。“這種差異不僅僅是應對越來(lái)越高的分辨率，如16MP，UHD，還包括各種應用功能的創(chuàng )新和新算法的演進(jìn)，以及在完成高處理性能情況下的電源效率。對此，Eran Briman表示，“我們認為在完成上述性能和功耗挑戰的情況下，使用DSP進(jìn)行視頻和計算機視覺(jué)處理會(huì )比目前的CPU和GPU更有優(yōu)勢。為此，CEVA提出其DSP內核平臺CEVA-MM3101，可應用于包括移動(dòng)智能終端、安防、汽車(chē)等更廣泛IoT領(lǐng)域的視頻和計算機視覺(jué)處理，為這些領(lǐng)域的IoT終端實(shí)現差異化設計提供可能性。MM3101內核具有高度可編程性、高性能及低功耗，為滿(mǎn)足最復雜圖像增強和計算機視覺(jué)處理所需的計算性能而設計?？煞謸O備主CPU的運算負荷并替代多個(gè)用于高強度圖像和視覺(jué)處理任務(wù)的硬件加速器，也可大幅減少整體系統功耗，并提供充分的靈活性。MM3101平臺(圖3)不僅提供硬件層的DSP核，更提供軟件層的各類(lèi)模塊，包括優(yōu)化后的視頻處理庫，和硬件開(kāi)發(fā)工具套件以及應用開(kāi)發(fā)工具套件(ADK)，便于開(kāi)發(fā)設計。其中，CEVA ADK包括為簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)集成工作的 Android Multimedia Framework (AMF)、一套先進(jìn)軟件開(kāi)發(fā)工具和一系列為DSP平臺優(yōu)化的軟件產(chǎn)品和程序庫。

MM3101平臺更建立了強大的生態(tài)環(huán)境。據Eran Briman介紹， “CEVA剛贏(yíng)得一家最新的合作伙伴Novatek，將CEVA MM3101平臺應用于其下一代面向監控、攝像、汽車(chē)市場(chǎng)的SoCs中。除此之外，CEVA的合作伙伴還包括很多算法公司和軟件應用公司。在所有合作伙伴的共同努力下，MM3101已可廣泛應用于各類(lèi)圖像增強算法應用，如超分辨率圖像技術(shù)(Super Resolution)、HDR(High Dynamic Range)和數字視頻防抖器(Video Stabilizer)，也可應用于各類(lèi)自然用戶(hù)界面(Natural UI)與視覺(jué)算法應用，如手勢識別(Gesture Recognition)、人臉識別(Face Recognition)和視線(xiàn)檢測(Gaze Detection/Eye Tracking)，更可應用于先進(jìn)的汽車(chē)ADAS算法應用，如前向防撞告警(FCW)、車(chē)道偏離告警(LDW)、行人偵測(PD)、深度圖等。”