打造未來智能家居下一代不同的SoC

原標題：打造未來智能家居下一代不同的SoC

20世紀60年代的電視連續劇《杰特遜一家》（The Jetsons）描繪了早期智能家居的場景：機器人管家Rosie、視頻聊天、按下按鈕就可以製作食物。還有一輛航空汽車，我們的主角喬治傑森（George Jetson）每天靠它上下班通勤，他每天會工作兩天，每天工作一小時。

傑森先生的機器人管家：Roise

未來的智能家居

五十年後我們會實現真正的智能家居——實現空間的無縫互連，我們的需求都能夠滿足，我們的生活將變得更加的輕鬆和健康，我們的碳排放量會大大減少——這是未來的一種生活方式。如今技術創新呈現爆炸式增長，尤其是AI技術，這會讓更多的公司為我們未來的智能家居提供越來越多的元素。

根據NPD組織2017年10月的一份報告指出，美國互聯網家庭擁有自動化家居設備的比例達到15%，高於2016年4月份的10%。根據NPD報告各類型設備增長強勁，其中安全和監控佔據大部分的銷售份額，可視化入戶門和智能照明等產品類型也在保持快速的增長。

NPD報告還指出智能無線音箱（比如Amazon Echo和Google Home）的銷售量在當年增加了三倍，在當時的調查報告中10%的美國互聯網家庭都擁有此類設備。

智能家居需要更加智能的技術

在此基礎上很多新型設備面市，為我們的家庭生活提供更高的效率。

機器人是最值得期待的（也可能是最可怕的）創新之一，雖然現在的數字化助理僅限於家中牆上那些有插座的地方，但是我們會看到這種情況會發生改變——比如Alexa的解決方案，它可以在家中進行一些操作甚至幫助我們洗衣服，類似Roomba的機器人幫助我們打掃家裡的地面，機器人割草機雖然還沒有被廣大群眾所採用，但是已經在銷售了。根據Juniper Research在2018年的報告顯示像Roomba這樣的室內輔助機器人將推動消費機器人硬體收入從2018年估計的64億美元增長到2022年的近230億美元，增幅會超過250%。

我們的智能家居也將很快會加入無所不在的語音和手勢控制，如今通過數字化助手聲音控制已經變得非常的廣泛，除了手勢控制，使用這項技術會更加的自然，為了更高效的工作，現在的手勢跟蹤技術需要深度感測器和高性能的計算機，因此目前它並不適用於所有的設備。但是在新軟體和更高效硬體的支持下，這種情況正在發生變化。今天你購買的一些產品可以幫助控制照明、打開電視、控制恆溫器等，所有這些操作只需要揮一揮手就可以，但是在未來我們希望這項技術能夠更加緊密的融入到我們的生活環境中來，讓消費者與智能家居的互動更加的自然。

通過無線VR和AR設備更加身臨其境的互動娛樂體驗將融入到智能家居中來，現在的AR設備能夠在真實場景上疊加很多虛擬的對象，隨著時間的發展，更高性能的圖形技術將是AR場景變得更加的真實。

對於VR領域，當無線設備具有和有線設備相同的圖形處理能力時真正的身臨其境的體驗才算到來。現在的一個缺點就是自由度（DoF）：現在的無線設備自由度只有3DoF，而有線設備自由度可以達到6DoF。不同之處在於跟蹤用戶的位置，而不僅僅是他們的目光所在的位置，還需要跟蹤用戶如何的移動，這是提供能否真實體驗的重要因素。這些挑戰都將被克服，我們會看到無線設備集成定位服務，更好的顯示質量，3D視角和更低的網路延遲，這些將會給我們帶來虛擬世界中更加真實的體驗。

另一項令人興奮的發展就是跨設備的個性化領域，無論是你的電視還是數字化助手，AI都能夠讓設備識別不同的家庭成員並且提供個性化的服務，你打開電視它就會識別你的身份並且適當的調整設置（比如使用家長控制、最喜歡的節目等）。這種個性化服務也將出現在娛樂機器人上，目前已經有幾款機器人可以利用自動化、AI和計算機視覺技術來識別家庭成員。某些情況下還可以進行互動，包括模擬情緒變化。這些設備的製造商正在提高和訓練它們的技能，隨著時間的發展將提供更加自然交互能力。

在這些設備之間無處不在互連即將到來，正是這些互連功能才能讓智能家居提供有用的服務。這些設備還將集成WiFi、藍牙、5G以及定位服務，從而提供更好的使用體驗。

SoC設計要求

所有這些創新都將利用SoC器件，它們集成的IP核包括CPU、GPU、神經網路加速器（NNA）和互連處理引擎。如果它們想克服現在的局限性並提供顯著的用戶體驗，那麼在設計IP核時要具備行業領先的性能、功耗和面積（Performance、power、area，PPA）。

採用高度優化的IP核，SoC供應商生產的器件將具備更高的性能功耗比，OEM廠商也將可以為新市場生產具有新功能的產品，第三方開發者可以與OEM廠商展開合作開發更高級的演算法，從而實現產品的差異化。

在將近三十年的時間裡，Imagination Technologies一直在不斷的 創新，設計和開發比競爭者具有更高PPA參數的IP核資源，GPU是很多流行的智能手機、平板電腦、智能手錶、智能電視和其他產品的核心，作為GPU的提供商我們一直致力於提供最佳的用戶體驗，Imagination推出的每一款產品（比如GPU、神經網路加速器、圖像處理器和互連處理器等）一直都把功耗作為重點考慮因素。

節省功耗

對於電池供電的設備而言電源效率是至關重要的，在需要充電之前要確保它能夠正常工作合理的時間。對於許多採用有線連接的產品要提供節能操作指南，對於需要戴在臉上的AR/VR設備降低功耗也很重要（發熱的設備會使用戶體驗非常的差）。專門為低功耗操作而設計的IP要能夠輕鬆的集成到SoC級電源管理方案中，這樣會降低整體SoC的功耗，發熱降低從而延遲電池的壽命。

高效的GPU

對於未來智能家居中的很多娛樂設施來說，更加身臨其境真實的圖形技術將起到關鍵的作用。因為GPU的並行處理性能要強於CPU，適用於複雜的數學運算，因此現在的GPU也被用於一些沒有顯示屏幕的應用上。我們看是看到一些SoC集成了GPU，具有更高的計算性能，對於VR能夠提供實時的6DoF自由度計算；在AR應用中能夠實現在真實世界圖像上的精確疊加； NNA和GPU計算性能的結合更有利於AI和自然語言處理。對於這些應用，GPU必須能夠支持更大的數據格式、更寬的數據深度、更廣泛的動態範圍、更好的低照度性能、更快的反應時間以及更強大的功能。

對於整個系統的功耗GPU無疑佔據的大部分，通常SoC的功耗限制於3-3.5W，而GPU則佔用了整個功耗的30-50%。對於我們推出的每一代PowerVR GPU，Imagination都採用了很多新技術來降低功耗。PowerVR Furian Series8XT GT8525 GPU在中端移動SoC（採用台積電10FF工藝）中估計的運行速度為35fps/w，整體功耗則低於理想值1.5W。與上一代Series7XT相比，對於同樣的性能，GT8525的功耗降低了60%。這顯著提升了性能/功耗比值，使得終端用戶的產品具有更長的續航時間，尤其是在重負載情況下。

PowerVR GPU高效率的基礎是基於貼片的延遲渲染技術（TBDR），GPU只渲染在屏幕上可見的最終對象元素；不會進行位置計算和繪製隱藏對象。這項技術確保了儘可能低的數據帶寬，並且降低了每幀數據需要處理的循環次數，從而實現了更高的性能效率和每幀最低的功耗，當然這只是PowerVR GPU這款行業最高效產品使用的諸多優化技術之一。

互連性

未來的智能家居要實現無所不在的互連，目前有很多標準提供支持，WiFi在很多設備上獲得了應用，比如802.11ac和11ax用於高帶寬的互連，對於低功耗、低帶寬的應用則仍然需要老版本的802.11n標準。但是因為WiFi傳統上就是很佔用功耗的，如果將其應用到電池驅動或節能設備上，那麼就需要Imagination Ensigma 低功耗互連引擎，其架構設計能最大限度的降低功耗，延遲電池的使用時間同時擴大通信範圍。

Ensigma低功耗互連IP具有多個電源域用於不同的功能模塊，它還設置了睡眠控制器，控制每個電源域在最快的時間內供電，同時在不需要功耗時以最快的時間切斷電源。憑藉其優化的架構設計，Ensigma低功耗互連IP消耗的功耗大約是相同功能特性IP的一半左右，是非常有競爭力的解決方案，智能家居應用需要低成本、低功耗和強大的性能支持，因此這個方案是其最好的選擇。

神經網路處理

神經網路加速器（NNAs）將為智能家居提供更多的個性化和增值功能。這些引擎支持自然語言處理、聲音識別技術、視覺處理演算法等。因為這些技術都需要集成到電池驅動的設備中，因此智能節省功耗是關鍵。

Imagination推出的PowerVR 2NX NNA中使用了多項技術來優化功耗，對於每層數據處理和權重上提供了獨一無二且靈活的位深支持，使得2NX能夠保持很高的推理精度，同時顯著的降低帶寬和功耗要求。在適當的情況下會從8位精度降低到4位精度，使得2NX只消耗三分之二的功率同時保持計算的精度。2NX同樣支持離線處理，使用本身集成的「智能模塊」節省聯網需要的帶寬，提升處理速度。憑藉最高的推理/毫瓦和最高的推理/mm2參數，它可以高效運行所有常見的神經網路，並且是唯一符合在移動/嵌入式設備上部署神經網路應用要求的IP。

合理的價格

消費者只有負擔的起才會大量採用產品，不過遺憾的是智能家居應用仍然很昂貴，即使一些小型的應用比如網路電燈、智能溫控器、智能門鎖和窗戶鎖、智能電源插座等產品的價格仍然不是很有吸引力。智能家居入門套件可能需要花費幾百美元，如果增加更多的感測器可能需要更多的費用，因此房東往往會放棄擴大智能家居系統的計劃。

對於晶元設計來說最大成本就是矽片面積，對於集成了GPU、NNAs和各種互連要求功能的產品，你可以想像這會需要一個相當大小的矽片，但是消費產品的生命周期往往很短而且需要廣大消費者負擔的起。無論是設計高度集成的晶元還是設備配套晶元，保持晶元面積最小化都會有效的降低成本。IP的緊湊的結構設計將起到關鍵的作用。

在全新推出的PowerVR Series9XE/XM GPU產品中，Imagination打破了典型「低成本」GPU的限制，為圖形和GPU計算都提供了前所未有的靈活性。在減小的晶元面積和更低的功耗情況下實現這些功能的關鍵技術之一就是降低了GPU和幀緩存之間要求的帶寬，同時降低了幀緩存的大小。這對於要使用的DRAM數量、類型和速度有一定的影響，從而減小晶元面積。此外帶寬的降低也會降低圖形子系統的功耗。

在一些設備（比如移動手機）中GPU是必需的，可以使用9XE/9XM GPU來管理典型的視覺處理演算法，將神經網路處理轉移到PowerVR 2NX NNA來執行。因為PowerVR NNA和GPU的性能強度，這種結合可以很容易的在相同尺寸的矽片上來實現，是一款非常有競爭力的GPU產品。

另一種節省系統成本的方法（尤其是需要互連功能時）是通過集成的方式。現在很多電子設備實現互連功能是採用獨立的晶元，但是藉助像Ensigma低功耗互連IP引擎，這些功能可以集成到SoC中來，從而節省BOM（物料）成本。因為智能家居中的互連標準眾多，因此管理多種標準並為將來的標準做好準備顯得非常的重要。Ensigma支持廣泛的互連標準，隨著通信標準的發展，使用像Ensigma這樣的可配置解調引擎的設備也可以通過固件升級的方式進行，這會使得設備的使用壽命更長，並且不需要經常進行昂貴的系統升級。

「作為標準」的高級特性

如果一款產品沒有用處或者功能不全面，那麼即使價格便宜、電池壽命更長也不會受到消費者的歡迎。產品開發者需要提供真正的價值以及令人信服的用戶體驗。IP是提供這些基礎性能和特性從而提升用戶體驗的關鍵。

對於VR和AR設備來說，GPU提供的高性能計算可以用於圖像處理（比如穩定化、校正、提升、人臉檢測和美化）、多媒體處理（比如實時穩定性、信息提取和疊加）、計算機視覺（比如增強現實、邊緣和特徵檢測）和遊戲。這些GPU必須能夠支持更大的格式、更寬的位深度、更廣泛的動態範圍、更好的低照度性能、更快的反應時間、更強大的功能等。PowerVR Furian架構設計旨在實現高效擴展到所需的更高性能，避免其他競爭方案中出現的性能密度問題。

未來的智能家居設備將需要SoC實現本地化數據處理，並將數據轉發到雲端進行後續處理和數據聚合。在很多情況下，推理操作可以在雲端強大的硬體上進行，但是由於很多原因現在要將這部分轉移到終端設備中來實現。快速響應是必須的，雲端伺服器由於延遲的問題因此在雲端運行神經網路是不現實的。將這部分轉移到本地終端設備上來處理也消除了可能發生的安全問題，因為蜂窩網路並不總是可用的，無論是3G、4G還是5G，因此專用的本地硬體將更加的可靠，並且提供更高的性能支持，關鍵是功耗大大的降低了。

隨著各種應用使用日益複雜的神經網路，製造商需要像PowerVR 2NX這樣專用的硬體解決方案，這樣才能夠提供具有競爭力的產品。2NX NNA代表了神經網路加速和性能的一個拐點，圖片分類神經網路運行在單核的2NX上能夠實現2048 MACs/cycle，每分鐘完成42000張圖片的分類，這比市場上專用的NN處理解決方案性能要高得多，而不用消耗額外的功率和帶寬，根據計算需要2NX可以單獨使用或與其他處理器（CPU/GPU）組合使用。此外對於安卓和其他現代操作系統還可以選擇MMU單元，無需額外的矽片或複雜的軟體集成。

在互連性方面，考慮到現在多種智能家居標準，我們需要的是支持所有標準的互連引擎。未來的智能家居網關將很可能結合802.11ax、802.15.4（Zigbee、Thread）和藍牙等。此外一些運營商正在考慮在網關中重新添加DETC功能來支持手機，因為他們將推出傳統的電話服務而只提供寬頻服務。Ensigma具有獨特的多標準和可編程架構，為每種通信方式和網路提供全面的解決方案，包括802.11a/b/g/n/ac（最多2x2 MIMO）、藍牙4.0（LE）、FM、DAB和其他幾種全球數字電視信號解調標準。

可視化技術帶來真正的創新

為了實現真正智能家居這個願景，目前還有很多挑戰需要克服，比如複雜性、價格、互操作性、易於實施等等。這些挑戰需要行業花費一定的時間來解決，當然也需要消費者花費一定的時間來接受並且歡迎這些技術進入他們的家中。與此同時，我們將會繼續看到更加智能的家居設備出現，讓我們的生活更加的簡單輕鬆、我們的互動更加的豐富、我們的娛樂方式更加的身臨其境。

當消費者能夠負擔的起並且這些所需的技術能夠實現時，智能家居這個願景才算真正的實現。當智能家居開始匯聚所有互連設備產生的數據時，系統會自動進行監控，作出正確的決定並且會在沒有消費者干預的情況下自主管理所有事情。

藉助Imagination推出的創新性IP，我們正在朝著這個方向快速前進，只有時間才能夠證明這些便利是否會讓我們每周僅工作兩個小時，就像喬治·傑森（George Jetson）先生的生活方式那樣。

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