TWS耳机迎来新机会，高算力、低功耗的存算一体技术潜力大

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）TWS耳机4.0时代，品牌厂商市场份额竞争进入关键阶段，声学器件及架构的优化，音质效果的创新等被频频提及。由于更多功能的叠加，TWS耳机主控芯片的AI算力不断提升，低功耗要求也越来越高，各方面的高要求也迫使品牌厂商不得不提升竞争优势。
 
2022年，TWS耳机厂商在一种新型计算架构中找到突破口——存算一体。与传统冯诺依曼架构相比，基于存算一体架构的存算一体芯片在功耗和计算效率等方面有着巨大的潜力。
 
但也不是所有的TWS耳机都需要用到存算一体芯片，“客户在选择时会考虑自己的产品定位，包括需不需要差异化的功能、性能升级等等，用存算一体芯片最明显的优势是可以实现产品更多新的功能。”知存科技创始人兼CEO王绍迪在接受电子发烧友网采访时表示，“如果为了降低成本牺牲性能，客户就不会去考虑存算一体芯片。”
 

知存科技创始人兼CEO王绍迪

 
多位业内人士表示，未来TWS耳机市场将呈现高性能产品和低价产品两极分化。由此来看，存算一体芯片在现阶段不会是“标配”，而是品牌厂商实现差异化的另一张王牌。
 
 
TWS耳机性能、续航可兼得，存算一体芯片带来性能提升新方案

存算一体是使用存储器的本征能力完成计算功能，而不是简单的把计算单元嵌入存储器中。以新的存算一体运算架构进行二维和三维矩阵乘法/加法运算。根据运算方式的不同，可以分为数字计算和模拟计算。其中又根据存储器类型的不同有所差别，数字计算以SRAM等易失性存储器为主，模拟计算一般采用Flash和RRAM等非易失性存储器。
 
当下，忆阻器、SRAM、FLASH等不同的技术方向都有国产企业布局。例如，阿里平头哥是基于DRAM的3D键合堆叠；知存科技专注存内计算芯片领域，基于Flash存储器方向进行研究；苹芯科技基于 SRAM做存内计算加速器；闪亿半导体是基于忆阻器PLRAM等等。
 
就在2022年年初，知存科技自主研发的存算一体SoC芯片WTM2101正式量产。官方介绍，这是国际上量产的首个存算一体SoC芯片，也是旗下第二款商用存内计算产品，在今年3月份推向市场。但是整体来看，国内存算一体行业还处于早期的发展阶段，仅有局部小规模量产。
 

图：知存科技WTM2101芯片

 
那么，在市场还未正式起量之前，存算一体芯片在可穿戴设备市场有哪些机会，又能给TWS耳机带来哪些性能优势？
 
目前已有TWS耳机支持语音唤醒功能，例如漫步者在2020年推出的首款支持本地命令词语音唤醒TWS耳机 Enjoy5，小米也曾推出支持本地语音控制的TWS耳机Air 2、Air 2 Pro等，其中Air 2 Pro的智能语音功能需要配合小爱同学进行使用；另外还有紫优科技推出的Eoy云耳机等等，越来越多的增加云端的语音控制的功能。
 
王绍迪向电子发烧友网表示，其实存算一体芯片解决的主要算力需求还不是针对语音唤醒功能的，语音唤醒的算力一般都是在10Mops或者20Mops左右级别，这种相对较低的算力情况下，主芯片、DSP芯片都可以跑到。而知存科技的WTM2101芯片一般都针对千兆ops以上的算力，例如TWS耳机、对讲机、助听器等需要用到人声增强、降噪、抗啸叫算法时产生的算力，而DSP核在算力和功耗上都无法满足要求。由此来看，针对高算力的应用场景才能发挥存算一体芯片最大的优势。
 
除了功能叠加，还有性能的突破。值得关注的是，苹果和华为两大厂商在今年下半年推出的产品都在音质上实现较大的升级。今年9月，苹果发布全新一代AirPods Pro，搭载H2芯片，算力暴涨，可以应对各种突发噪声做到自适应降噪，降噪性能是上代两倍，并且支持无损48kHz音频。同样，华为今年7月推出的FreeBuds Pro 2，采用了基于AI技术的音频编码标准，加上华为自研L2HC 音频编码技术，实现了FreeBuds Pro 2音质的全方位体验升级。
 
随着AI等大数据应用的兴起，各种功能、性能的叠加大大增加了TWS耳机的功耗，如何在提升性能的同时还能保证续航，一直是品牌厂商所关注的方向。
 
存算一体芯片的出现恰好给出了答案。据了解，存内计算技术原理基于欧姆定律，矩阵乘法效率提高50-100倍。“存算一体最大的优势就是矩阵乘法运算，并且是适合AI计算的，所以对于穿戴来说，存算一体提供了能在低功耗下运行很大算力的AI算法。像这种算力，一般常规芯片的功耗都是在50mA到100mA之间，但是存算一体可以把功耗降低到1mA。”王绍迪提到，这也是使用存算一体芯片的可穿戴设备可以提供大算力的主要原因。
 
存算一体主要的功能点还在于低延时，可以在实时通讯设备里边做声音增强、通话降噪、声音美化、人声增强等，这些都可以通过AI算法完成，但是实时的声音处理需要很高的算力，语音唤醒只是其中的附加功能，占比相对较小。此外，存算一体还可以在可穿戴和医疗设备中完成实时的健康信号监测、运动姿态识别、手势识别、心脑血管和呼吸类疾病有关早筛。
 
 
不止于可穿戴领域，存算一体在高算力场景深藏潜力

在技术创新以及市场需求的双双驱动下，存算一体芯片逐渐找到落地市场。从现阶段来看，TWS耳机、健康类智能手表、智能头戴、医疗设备以及其他小型电子产品会率先成为落地市场，例如知存科技的WTM2101就是针对可穿戴设备市场以及其他低功耗的智能终端，其中大部分都是针对电池驱动的设备。
 
对此，王绍迪认为存算一体作为新技术，其发展过程类似于存储器。他举了一个例子：例如20多年前的存储器，尤其是闪存市场，最早就是从MP3等消费电子开始做起的，现在已经做到企业级服务器。存算一体芯片的市场发展阶段也会有所类似。在技术的发展过程中，闪存从MB级到TB级，容量的提升基本是在百万倍左右。业内人士预测，存算一体芯片容量也会从MB级到GB级以上，算力提升的空间也是超过万倍的级别。
 
知存科技的发展历程也映射出存算一体技术的不断突破。知存科技成立于2017年，王绍迪回忆，公司成立了5年，但是距离做第一次存算一体投片至今已有10年。经过不断地打磨、尝试，知存科技在2019年推出一个试验型产品，算力只有现在芯片的五分之一。而现在的WTM2101的AI算力可以达到50Gops，功耗为5uA-3mA，可使用sub-mW级功耗完成大规模深度学习运算，“它比我们上一代芯片的算力提高了5倍，功耗却更低了。下一代芯片应该还有数百倍的算力提升。”值得一提的是，目前已有基于WTM2101芯片的相关产品实现量产，预计芯片年销量可达百万。
 
“在推出产品之前，我们做了很多次流片迭代，把可靠性和量产性调整到产品级之后才开始量产。我们量产后也在持续不断进行技术研发，不断迭代存算一体芯片。”王绍迪表示。谈及未来的产品规划，他提到，预计明年、后年在可穿戴设备领域还会推出两款产品，和现在的WTM2101形成优势互补。
 
随着芯片算力、性能的提升，存算一体芯片将不只是应用在可穿戴领域，而是会应用在其他性能需求更高，甚至比智能手机上的NPU算力还要高出很多倍的消费电子中。随着产品越来越成熟，相应的市场也会越来越大。
 
对于存算一体芯片未来的应用领域，王绍迪认为整个存算一体市场还有5到7年的发展成熟期，未来3到5年，端侧、边缘侧是主要的应用场景，包括穿戴设备、VR/AR、机器人、自动驾驶等应用领域；但是在5年之后，存算一体的主要推动点就是技术成熟度，另外一个是生态，还有工具链和开发框架都可以做的相对成熟，这种就可以进入到更通用的计算场景当中。此外，在通信技术领域利用存算一体也可以帮助很多场景实现成本、功耗大幅度降低。