拓展可穿戴、IoT設(shè)計差異化，從DSP內(nèi)核看起

在物聯(lián)網(wǎng)的時代，終端產(chǎn)品設(shè)計會是多種多樣的。無論是可穿戴產(chǎn)品、智能家居、汽車電子、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(shè)計時，確保產(chǎn)品多樣性和個性差異化是每個電子設(shè)計師時常思考的問題。日前，DSP內(nèi)核和硅(Silicon)IP授權(quán)的主要廠商，美國思華科技(CEVA)在其技術(shù)論壇上給出了對于IoT市場的平臺架構(gòu)策略以及對于IoT產(chǎn)品差異化的設(shè)計建議。

CEVA市場營銷副總裁Eran Briman表示，“作為市場份額第一的DSP IP廠商，全球范圍內(nèi)已有超過55億顆基于CEVA技術(shù)的芯片被廣泛應(yīng)用于各類市場，超過250家業(yè)界領(lǐng)先的半導(dǎo)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(quán)的DSP或IP內(nèi)核，并應(yīng)用到各行各業(yè)的電子產(chǎn)品中。隨著可穿戴、IoT行業(yè)的興起，很多知名產(chǎn)品也都采用CEVA授權(quán)的IP。我們關(guān)注到IoT技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：互聯(lián)(Connectivity)、傳感(Sensing)、處理(Processing)，每個環(huán)節(jié)有著不同層面的設(shè)計挑戰(zhàn)，需要更靈活、可擴(kuò)展、低功耗的架構(gòu)來滿足多樣化和差異化的市場需求。”

互聯(lián)：如何靈活適應(yīng)多種連接技術(shù)?

IoT時代的產(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(zhàn)也來自于越來越多的連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所帶來的困擾。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(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，對設(shè)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(chǔ)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(kuò)展性、模塊化，可隨需求定制的平臺來支持各類標(biāo)準(zhǔn)十分重要。”

CEVA給出其IoT連接層面的模塊化平臺架構(gòu)建議，包括Wi-Fi、藍(lán)牙、通用硬件加速模塊，以及其Teaklite-4的DSP內(nèi)核(圖1)。“該平臺具有靈活可擴(kuò)展的優(yōu)勢，Teaklite-4可以針對不同的連接標(biāo)準(zhǔn)來適配，完成來自不同物理層的處理，針對不同設(shè)計可以隨意去除某個模塊設(shè)計，如去掉Wi-Fi模塊，而對整體構(gòu)架不造成影響。對快速的原型開發(fā)更為有益，” Eran Briman介紹道，“在數(shù)月前，通過并購RivieraWaves公司，CEVA擁有了自己(in-house)的Wi-Fi、藍(lán)牙和低功耗藍(lán)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(gòu)架可以支持IoT設(shè)備目前主流的幾大連接技術(shù)。”

圖1：CEVA IoT連接技術(shù)解決方案

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(biāo)桿。有適用于穿戴式設(shè)備的低功耗、價格敏感的Wi-Fi解決方案，也有支持包括智能手機(jī)、智能電視等消費類電子的Wi-Fi方案。更有支持高數(shù)據(jù)吞吐的網(wǎng)關(guān)Wi-Fi方案。在藍(lán)牙方面，CEVA藍(lán)牙平臺包括有應(yīng)用于穿戴式設(shè)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也希望通過此次收購，把優(yōu)勢延續(xù)到其它的連接技術(shù)中，使半導(dǎo)體客戶可以通過CEVA把更多連接技術(shù)，如將Wi-Fi、Bluetooth納入到單顆SoC設(shè)計中，這也符合芯片集成度提升的趨勢。”

傳感：如何發(fā)揮低成本傳感器價值?

傳感能力是IoT設(shè)備所需具備的第二特性。據(jù)Eran Briman介紹， “在這個層面，功耗控制和處理能力顯得尤為重要。IoT設(shè)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(shè)備集成了大量的傳感器，所需處理的傳感器數(shù)據(jù)也呈指數(shù)上升。但同時隨著成本壓力的上升，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(tǒng)，尤其是功耗水平的控制和處理能力的增強(qiáng)，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(qiáng)對環(huán)境的感知，同時也要通過DSP提升處理能力，來更好的處理這些傳感器數(shù)據(jù)。包括像麥克風(fēng)、攝像頭等較復(fù)雜的音視頻傳感器，對DSP在降噪、圖像增強(qiáng)等方面的處理能力的要求也更高。當(dāng)然對于IoT設(shè)備，特別是可穿戴產(chǎn)品需要永遠(yuǎn)工作(Always-On)，也就意味著傳感器會隨時感應(yīng)(Always-Sensing)，把功耗控制降到最低是另一個至關(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，同時軟件層面通過合作，也可提供包括傳感器融合(Sensor Fusion)、語音觸發(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(yīng)用案例中，同時運行Always-on、Sensor Fusion、語音觸發(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(shè)備需要怎樣的處理能力?

具備處理能力是使IoT設(shè)備擁有智能的關(guān)鍵。IoT數(shù)據(jù)在哪里進(jìn)行處理，是一個困擾設(shè)計人員的兩難話題。Eran Briman 表示，“以往我們都覺得對數(shù)據(jù)的處理能力通常由云端來完成，但發(fā)展經(jīng)驗證明IoT設(shè)備自身擁有本地處理能力(Edge Processing)變得越來越重要?；旧蠈τ谳p量級處理量、小規(guī)模數(shù)據(jù)庫、涉及安全/隱私信息、低延時需求、上傳到云端會增加功耗開銷等情況下，更傾向于在本地設(shè)備端(Local)處理數(shù)據(jù)，相反對于大數(shù)據(jù)庫搜尋、機(jī)器學(xué)習(xí)、非隱私性信息則傾向于云端處理。”但事實上，對于如何合理分配處理能力并同時平衡功耗、效率等問題往往要復(fù)雜的多。”Eran Briman進(jìn)一步給出意見，“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。通過這種分層來選擇合適的解決方案應(yīng)對具體的處理需求，才能達(dá)到更好的功耗與性能平衡。當(dāng)然實際設(shè)計起來仍將會是一個需要妥協(xié)的問題。”

針對不同處理需求，CEVA提出IoT整體的參考設(shè)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、適合語音分析的本地DSP核和處理平臺 CEVA-TL421，以及適合計算機(jī)視覺、視頻處理的本地DSP核和處理平臺CEVA-MM3101。

圖2： CEVA IoT整體參考設(shè)計方案

特別值得一提的是對于圖像和視覺處理市場，處理能力的差異將直接導(dǎo)致產(chǎn)品的差異化。“這種差異不僅僅是應(yīng)對越來越高的分辨率，如16MP，UHD，還包括各種應(yīng)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(rèn)為在完成上述性能和功耗挑戰(zhàn)的情況下，使用DSP進(jìn)行視頻和計算機(jī)視覺處理會比目前的CPU和GPU更有優(yōu)勢。為此，CEVA提出其DSP內(nèi)核平臺CEVA-MM3101，可應(yīng)用于包括移動智能終端、安防、汽車等更廣泛IoT領(lǐng)域的視頻和計算機(jī)視覺處理，為這些領(lǐng)域的IoT終端實現(xiàn)差異化設(shè)計提供可能性。MM3101內(nèi)核具有高度可編程性、高性能及低功耗，為滿足最復(fù)雜圖像增強(qiáng)和計算機(jī)視覺處理所需的計算性能而設(shè)計?？煞謸?dān)設(shè)備主CPU的運算負(fù)荷并替代多個用于高強(qiáng)度圖像和視覺處理任務(wù)的硬件加速器，也可大幅減少整體系統(tǒng)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模塊，包括優(yōu)化后的視頻處理庫，和硬件開發(fā)工具套件以及應(yīng)用開發(fā)工具套件(ADK)，便于開發(fā)設(shè)計。其中，CEVA ADK包括為簡化軟件開發(fā)集成工作的 Android Multimedia Framework (AMF)、一套先進(jìn)軟件開發(fā)工具和一系列為DSP平臺優(yōu)化的軟件產(chǎn)品和程序庫。

圖3： CEVA-MM3101處理平臺

MM3101平臺更建立了強(qiáng)大的生態(tài)環(huán)境。據(jù)Eran Briman介紹， “CEVA剛贏得一家最新的合作伙伴Novatek，將CEVA MM3101平臺應(yīng)用于其下一代面向監(jiān)控、攝像、汽車市場的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(yīng)用公司。在所有合作伙伴的共同努力下，MM3101已可廣泛應(yīng)用于各類圖像增強(qiáng)算法應(yīng)用，如超分辨率圖像技術(shù)(Super Resolution)、HDR(High Dynamic Range)和數(shù)字視頻防抖器(Video Stabilizer)，也可應(yīng)用于各類自然用戶界面(Natural UI)與視覺算法應(yīng)用，如手勢識別(Gesture Recognition)、人臉識別(Face Recognition)和視線檢測(Gaze Detection/Eye Tracking)，更可應(yīng)用于先進(jìn)的汽車ADAS算法應(yīng)用，如前向防撞告警(FCW)、車道偏離告警(LDW)、行人偵測(PD)、深度圖等。”(麥迪)