感存算一体创新架构，超低功耗！解决可穿戴、VR/AR、自动驾驶行业难题！

电子发烧友网报道（文/李弯弯）随着技术发展，AI应用将会无处不在，AI芯片作为支撑算力的基石，具有至关重要的作用。然而在传统的冯诺依曼架构下，AI芯片功耗大，算力利用率低。为了解决这些问题，业界积极探索新的架构形式。
 
在这样的背景下，九天睿芯独创的模拟感知前处理+数模混合存内计算的感存算一体架构，可以在成本极低的情况下，将芯片的功耗降到uW级别。基于此全新的架构，九天睿芯的研发团队设计了多款芯片，并且已经实现量产应用。
 
功耗只有其他芯片产品的十分之一
 
九天睿芯片成立于2018年，专注神经拟态感存算一体芯片研发。公司创始人刘洪杰博士从事神经仿生工程领域的科研研发工作多年，围绕类脑芯片和视觉处理芯片，已发表数篇国际一流会议/期刊论文，是事件及帧融合处理芯片发明人以及6T SRAM存内计算发明人。
 
团队核心成员毕业于瑞士联邦理工、新加坡南洋理工大学、清华大学、北京大学、电子科技大学等，并曾就职于华为、IMEC、高通、腾讯等名企/单位，在芯片设计开发、神经网络及计算架构领域研发经验超过十年，在顶级会议和期刊上发表文章。
 
该公司推出的第一代芯片ADA100，可应用于语音命令词识别、人声监测、噪声环境识别，以及角速度传感器的识别和处理等。该芯片已经于今年5月量产，现在已经应用于TWS耳机、手表、助听器等可穿戴产品中，以及照明、开关、遥控器等IoT领域。
 
九天睿芯感存算一体芯片有一个很大的特点，就是具有超低的功耗。该公司销售总监袁野在接受电子发烧友采访的时候表示：“ADA100在KWS语音识别等应用上，功耗都可以保持在微安级别（70-150微安）。公司的芯片功耗，与同行产品相比只有其十分之一。同时在成本方面，同样芯片的算力，也只有数字芯片的三分之一。”
 
为什么功耗可以做到如此低？据袁野介绍，可以分为两部分来看：第一，九天睿芯的芯片采用的是感存算一体架构。在前端就有一个模拟的处理单元，可以对感知信号进行特征提取，再传输给ADC进行数据转换。也就是说，转换的不是所有感知到的信号，而只是特征信号，这样转换的数据量，就只有原始数据的十分之一，甚至是二十分之一。
 
而本身ADC进行数据转换，在整个芯片里面的功耗占比就很高，当它的功耗大幅降低的话，整个芯片的功耗也就会有很大幅度的下降。
 
第二，九天睿芯的芯片，在后端计算部分采用的是基于SRAM的存内计算。存内计算，也就是在存储内直接做计算，减少了数据搬运，功耗会比传统的冯诺依曼架构降低很多。九天睿芯基于SRAM的存内计算的芯片，与传统的数字NPU相比，功耗只有其五分之一。
 
这样，从前端的数模转换到后端的计算，功耗都很低，整个芯片的功耗也就非常低了。
 
在商用进程方面，目前九天睿芯已经与歌尔等六家企业合作，合封智能麦克风，即基于九天睿芯第一代芯片ADA100的裸Die，与上述几家公司的MEMS，合封在一个基板上，做成智能麦克风，让其可以实现语音识别功能。现在与这几家合作的智能麦克风都已经合封完成，测试也已经通过，将会在今年11月份左右进行大批量生产。
 
另外ADA100单独芯片的应用，也已经在华为、小米、OPPO等厂商推广，目前都处于DEMO测试阶段。在其他客户的合作方面，ADA100已经接到100多万pieces的订单，预计将在今年11月份左右完成初期交付。公司计划明年能达到千万级出货，在更多产品中实现应用。
 
九天睿芯感存算一体，超低功耗、低成本的特性，切实地在帮助客户解决面临的痛点问题。比如，在助听器上的应用。现在的助听器，主要有两个模式：一个是需要去医院适配，调好增益幅度，给老人带上。但是大部分老人，当时的感受跟平时的感受可能不一样，佩戴的时候其实并不舒服，可能增益开太大了，但是他又没有办法做调整。
 
另一个是比较新的一种助听器，用的是蓝牙主控跟手机连接，通过APP调节它的增益状态，如果觉得声音大，就调小一点。不过它也有一个痛点，就是很多老年人，操作智能手机并不熟练，需要年轻人帮他先调好。同样的问题是，在调的时候用的舒服，并不代表他一直用着舒服，比如他现在在外面，环境吵，而它的增益还是开很大，就会对耳朵有损伤。
 
所以，现在所有新兴的助听器客户都会提出，在内部增加一颗环境噪声识别感知的芯片，帮助助听器自适应的调节增益幅度。比如说，外面比较安静的时候，增益就可以开大一点，让用户可以听得更清楚。外面声音很吵的话，就可以把降噪开大一些，屏蔽噪声，把人声放大。
 
袁野向电子发烧友介绍：“我们的芯片可以感知到外部环境的变化，之后推送一个指令给主控，主控再自适应地调节它的降噪和增益幅度，这样就可以实现，老年人佩戴的智能化，体验会更好。这算是助听器真正意义上的智能化升级。”
 
九天睿芯在与客户交流的时候发现，这些助听器的厂商普遍认为，他们的助听器产品迫切需要这个功能。而且更重要的是，对于助听器产品来说，超低功耗是刚需，不然的话，电量坚持不了24小时也很麻烦。九天睿芯芯片超低功耗特性的作用在这里就很好的体现出来了。
 
一款可直接连接事件相机单独存在的SoC
 
除了第一代ADA100，九天睿已经规划设计了多款产品，包括第二代芯片ADA200，第三代芯片ADA300，以及一颗高性能ADC产品。其中ADA200已经流片成功，ADA300在规划中。
 
ADA200同样是采用数模混合+存内计算的架构模式，不过与ADA100不同的是，ADA200算力更大，可以达到4-10TOPS。九天睿芯市场总监Johney Lu向电子发烧友介绍：“到了这么高算力后，ADA200就可以接大量的视觉及其他传感器，比如传统的CIS、雷达，以及事件相机（DVS）。同时可以接多路（4路或者8路）的视觉信号。”
 
这颗芯片可以有好几种用法：一是作为单独的边缘计算SoC，成为一个相机模组，或者一个单独运作的产品；二是在AR/VR上做协处理器，完成一些功能，比如做slam，ISP的图像增色、渲染；三是做不同传感器接入时的处理和预处理，还可以接事件相机，目前在市面上，九天睿芯是唯一可以直接接事件相机的单独存在的SoC。
 
基于此，也就可以面向三个市场：一是在汽车上，做碰撞预警，或鬼探头等视觉的边缘计算；二是在AR/VR上做协处理器；三是在IoT产品上作为独立存在的SoC。
 
上面提到的事件相机（Event Camera），也称神经形态像机，或动态视觉传感器（DVS，Dynamic Vision Sensor)，是一种能够响应局部亮度变化的成像传感器。事件相机不像常规相机那样使用快门捕获图像。相反，事件相机中的每个像素都独立且异步地运行，并在发生亮度变化时输出这些变化，否则保持沉默。
 
据Johney Lu介绍，事件相机有几个很典型的特点：一是它的动态范围非常高，可以达到140dB；二是因为它只输出有效信息，不输出无效信息，它的数据量非常小；三是它的速度非常快，可以达到1/10000s，甚至更高。
 
因为这三个特点，行业普遍认为，事件相机可以应用于在汽车上做鬼探头或者碰撞预警。自动驾驶是未来的必然趋势，如今乘用车基本还处在L2自动驾驶阶段，现在已经有很多厂商在做碰撞预警，不过相对来说，它还不是必须的功能。然而到L3/L4之后，基本就不需要驾驶员参与了，汽车需要自己去驾驶，这时候汽车都需要具备碰撞预警功能。在低光照、或者突发状况下，汽车需要依靠各种传感器、计算芯片，以及各种算法，自己进行处理。
 
然而问题是，对于L3/L4自动驾驶来说，还是有5%-15%的corner case，传统视觉非常难以处理，事件相机却没有问题。相对来说，在低光照下，高动态范围，或者突发事件的情况下，事件相机的效果会比传统视觉好很多。
 
目前市面上已经有事件相机产品量产，比如索尼。而九天睿芯的ADA200是一款可以直接事件相机的单独存在的SoC。Johney Lu表示：“我们的SoC可以和传感器厂商的事件相机一起，帮助汽车在L3之后的自动驾驶阶段，实现对这5%-15%的corner case的处理。”
 
这是在汽车上面的应用，目前九天睿芯已经与国内外几家主流车企达成合作。另外在AR/VR上面的应用，ADA200可用来做视觉上的slam，接RGB或DVS做眼球追踪。完成定位、手势识别，还有多重不同传感器的融合等功能。
 
现在一些主流的AR/VR公司对这方面都非常感兴趣，包括Meta。现在的趋势是，用主芯片加一颗协处理器，来解决AR/VR上所有传感器的融合。很多时候，主芯片的迭代速度比较慢，没有办法引入最新的技术，而协处理器迭代比较快，正好可以解决这个问题。另外协处理器也分担主芯片的功能，降低它的功耗和成本。
 
九天睿芯规划中的ADA300，算力将会更大，可以达到24TOPS以上，可以作为一颗主芯片SoC，应用在非常多的场景中。并且ADA300可以和很多大厂合作，做成超大算力的产品。
 
Johney Lu表示，很多大厂非常认可，存内计算+数模混合这样的架构，面效比、能效比都比较有优势，因此九天睿芯会以存内计算的IP、以及design一部分的方式跟大厂合作。
 
除了ADA100、ADA200、ADA300三款产品，九天睿芯还有一颗激光雷达ADC，已经流片成功，会在明年实现量产。
 
小结
 
整体来看，九天睿芯创新架构的特性非常明显，芯片产品功耗低、面积小、成本低，在可穿戴、AR/VR、自动驾驶上都有其独特的优势，因此获得了不同领域客户的认可。ADA100今年会逐渐在更多产品中应用，随着明年ADA200、ADC的量产，基于九天睿芯创新架构的芯片产品，将会更多更好的服务于各个行业和客户。