如何設(shè)計未來智能家居下一代不同的SoC

20世紀(jì)60年代的電視連續(xù)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、按下按鈕就可以制作食物。還有一輛航空汽車，我們的主角喬治杰森（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。

未來的智能家居

五十年后我們會實現(xiàn)真正的智能家居——實現(xiàn)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松和健康，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(shù)創(chuàng)新呈現(xiàn)爆炸式增長，尤其是AI技術(shù)，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(jù)NPD組織2017年10月的一份報告指出，美國互聯(lián)網(wǎng)家庭擁有自動化家居設(shè)備的比例達(dá)到15%，高于2016年4月份的10%。根據(jù)NPD報告各類型設(shè)備增長強勁，其中安全和監(jiān)控占據(jù)大部分的銷售份額，可視化入戶門和智能照明等產(chǎn)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(dāng)年增加了三倍，在當(dāng)時的調(diào)查報告中10%的美國互聯(lián)網(wǎng)家庭都擁有此類設(shè)備。

智能家居需要更加智能的技術(shù)

在此基礎(chǔ)上很多新型設(shè)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(chuàng)新之一，雖然現(xiàn)在的數(shù)字化助理僅限于家中墻上那些有插座的地方，但是我們會看到這種情況會發(fā)生改變——比如Alexa的解決方案，它可以在家中進(jìn)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里的地面，機器人割草機雖然還沒有被廣大群眾所采用，但是已經(jīng)在銷售了。根據(jù)Juniper Research在2018年的報告顯示像Roomba這樣的室內(nèi)輔助機器人將推動消費機器人硬件收入從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(shù)字化助手聲音控制已經(jīng)變得非常的廣泛，除了手勢控制，使用這項技術(shù)會更加的自然，為了更高效的工作，現(xiàn)在的手勢跟蹤技術(shù)需要深度傳感器和高性能的計算機，因此目前它并不適用于所有的設(shè)備。但是在新軟件和更高效硬件的支持下，這種情況正在發(fā)生變化。今天你購買的一些產(chǎn)品可以幫助控制照明、打開電視、控制恒溫器等，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(shù)能夠更加緊密的融入到我們的生活環(huán)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(shè)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(xiàn)在的AR設(shè)備能夠在真實場景上疊加很多虛擬的對象，隨著時間的發(fā)展，更高性能的圖形技術(shù)將是AR場景變得更加的真實。

對于VR領(lǐng)域，當(dāng)無線設(shè)備具有和有線設(shè)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?，F(xiàn)在的一個缺點就是自由度（DoF）：現(xiàn)在的無線設(shè)備自由度只有3DoF，而有線設(shè)備自由度可以達(dá)到6DoF。不同之處在于跟蹤用戶的位置，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(zhàn)都將被克服，我們會看到無線設(shè)備集成定位服務(wù)，更好的顯示質(zhì)量，3D視角和更低的網(wǎng)絡(luò)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(fā)展就是跨設(shè)備的個性化領(lǐng)域，無論是你的電視還是數(shù)字化助手，AI都能夠讓設(shè)備識別不同的家庭成員并且提供個性化的服務(wù)，你打開電視它就會識別你的身份并且適當(dāng)?shù)恼{(diào)整設(shè)置（比如使用家長控制、最喜歡的節(jié)目等）。這種個性化服務(wù)也將出現(xiàn)在娛樂機器人上，目前已經(jīng)有幾款機器人可以利用自動化、AI和計算機視覺技術(shù)來識別家庭成員。某些情況下還可以進(jìn)行互動，包括模擬情緒變化。這些設(shè)備的制造商正在提高和訓(xùn)練它們的技能，隨著時間的發(fā)展將提供更加自然交互能力。

在這些設(shè)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(wù)。這些設(shè)備還將集成WiFi、藍(lán)牙、5G以及定位服務(wù)，從而提供更好的使用體驗。

SoC設(shè)計要求

所有這些創(chuàng)新都將利用SoC器件，它們集成的IP核包括CPU、GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器（NNA）和互連處理引擎。如果它們想克服現(xiàn)在的局限性并提供顯著的用戶體驗，那么在設(shè)計IP核時要具備行業(yè)領(lǐng)先的性能、功耗和面積（Performance、power、area，PPA）。

采用高度優(yōu)化的IP核，SoC供應(yīng)商生產(chǎn)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(chǎn)具有新功能的產(chǎn)品，第三方開發(fā)者可以與OEM廠商展開合作開發(fā)更高級的算法，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化。

在將近三十年的時間里，Imagination Technologies一直在不斷的 創(chuàng)新，設(shè)計和開發(fā)比競爭者具有更高PPA參數(shù)的IP核資源，GPU是很多流行的智能手機、平板電腦、智能手表、智能電視和其他產(chǎn)品的核心，作為GPU的提供商我們一直致力于提供最佳的用戶體驗，Imagination推出的每一款產(chǎn)品（比如GPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)省功耗

對于電池供電的設(shè)備而言電源效率是至關(guān)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。對于許多采用有線連接的產(chǎn)品要提供節(jié)能操作指南，對于需要戴在臉上的AR/VR設(shè)備降低功耗也很重要（發(fā)熱的設(shè)備會使用戶體驗非常的差）。專門為低功耗操作而設(shè)計的IP要能夠輕松的集成到SoC級電源管理方案中，這樣會降低整體SoC的功耗，發(fā)熱降低從而延遲電池的壽命。

高效的GPU

對于未來智能家居中的很多娛樂設(shè)施來說，更加身臨其境真實的圖形技術(shù)將起到關(guān)鍵的作用。因為GPU的并行處理性能要強于CPU，適用于復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，因此現(xiàn)在的GPU也被用于一些沒有顯示屏幕的應(yīng)用上。我們看是看到一些SoC集成了GPU，具有更高的計算性能，對于VR能夠提供實時的6DoF自由度計算；在AR應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)在真實世界圖像上的精確疊加； NNA和GPU計算性能的結(jié)合更有利于AI和自然語言處理。對于這些應(yīng)用，GPU必須能夠支持更大的數(shù)據(jù)格式、更寬的數(shù)據(jù)深度、更廣泛的動態(tài)范圍、更好的低照度性能、更快的反應(yīng)時間以及更強大的功能。

對于整個系統(tǒng)的功耗GPU無疑占據(jù)的大部分，通常SoC的功耗限制于3-3.5W，而GPU則占用了整個功耗的30-50%。對于我們推出的每一代PowerVR GPU，Imagination都采用了很多新技術(shù)來降低功耗。PowerVR Furian Series8XT GT8525 GPU在中端移動SoC（采用臺積電10FF工藝）中估計的運行速度為35fps/w，整體功耗則低于理想值1.5W。與上一代Series7XT相比，對于同樣的性能，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(chǎn)品具有更長的續(xù)航時間，尤其是在重負(fù)載情況下。

PowerVR GPU高效率的基礎(chǔ)是基于貼片的延遲渲染技術(shù)（TBDR），GPU只渲染在屏幕上可見的最終對象元素；不會進(jìn)行位置計算和繪制隱藏對象。這項技術(shù)確保了盡可能低的數(shù)據(jù)帶寬，并且降低了每幀數(shù)據(jù)需要處理的循環(huán)次數(shù)，從而實現(xiàn)了更高的性能效率和每幀最低的功耗，當(dāng)然這只是PowerVR GPU這款行業(yè)最高效產(chǎn)品使用的諸多優(yōu)化技術(shù)之一。

互連性

未來的智能家居要實現(xiàn)無所不在的互連，目前有很多標(biāo)準(zhǔn)提供支持，WiFi在很多設(shè)備上獲得了應(yīng)用，比如802.11ac和11ax用于高帶寬的互連，對于低功耗、低帶寬的應(yīng)用則仍然需要老版本的802.11n標(biāo)準(zhǔn)。但是因為WiFi傳統(tǒng)上就是很占用功耗的，如果將其應(yīng)用到電池驅(qū)動或節(jié)能設(shè)備上，那么就需要Imagination Ensigma 低功耗互連引擎，其架構(gòu)設(shè)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范圍。

Ensigma低功耗互連IP具有多個電源域用于不同的功能模塊，它還設(shè)置了睡眠控制器，控制每個電源域在最快的時間內(nèi)供電，同時在不需要功耗時以最快的時間切斷電源。憑借其優(yōu)化的架構(gòu)設(shè)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(yīng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shù)、視覺處理算法等。因為這些技術(shù)都需要集成到電池驅(qū)動的設(shè)備中，因此智能節(jié)省功耗是關(guān)鍵。

Imagination推出的PowerVR 2NX NNA中使用了多項技術(shù)來優(yōu)化功耗，對于每層數(shù)據(jù)處理和權(quán)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(dāng)?shù)那闆r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(jié)省聯(lián)網(wǎng)需要的帶寬，提升處理速度。憑借最高的推理/毫瓦和最高的推理/mm2參數(shù)，它可以高效運行所有常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且是唯一符合在移動/嵌入式設(shè)備上部署神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求的IP。

合理的價格

消費者只有負(fù)擔(dān)的起才會大量采用產(chǎn)品，不過遺憾的是智能家居應(yīng)用仍然很昂貴，即使一些小型的應(yīng)用比如網(wǎng)絡(luò)電燈、智能溫控器、智能門鎖和窗戶鎖、智能電源插座等產(chǎn)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，如果增加更多的傳感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(tǒng)的計劃。

對于芯片設(shè)計來說最大成本就是硅片面積，對于集成了GPU、NNAs和各種互連要求功能的產(chǎn)品，你可以想象這會需要一個相當(dāng)大小的硅片，但是消費產(chǎn)品的生命周期往往很短而且需要廣大消費者負(fù)擔(dān)的起。無論是設(shè)計高度集成的芯片還是設(shè)備配套芯片，保持芯片面積最小化都會有效的降低成本。IP的緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計將起到關(guān)鍵的作用。

在全新推出的PowerVR Series9XE/XM GPU產(chǎn)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。在減小的芯片面積和更低的功耗情況下實現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵技術(shù)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。這對于要使用的DRAM數(shù)量、類型和速度有一定的影響，從而減小芯片面積。此外帶寬的降低也會降低圖形子系統(tǒng)的功耗。

在一些設(shè)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算法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理轉(zhuǎn)移到PowerVR 2NX NNA來執(zhí)行。因為PowerVR NNA和GPU的性能強度，這種結(jié)合可以很容易的在相同尺寸的硅片上來實現(xiàn)，是一款非常有競爭力的GPU產(chǎn)品。

另一種節(jié)省系統(tǒng)成本的方法（尤其是需要互連功能時）是通過集成的方式?，F(xiàn)在很多電子設(shè)備實現(xiàn)互連功能是采用獨立的芯片，但是借助像Ensigma低功耗互連IP引擎，這些功能可以集成到SoC中來，從而節(jié)省BOM（物料）成本。因為智能家居中的互連標(biāo)準(zhǔn)眾多，因此管理多種標(biāo)準(zhǔn)并為將來的標(biāo)準(zhǔn)做好準(zhǔn)備顯得非常的重要。Ensigma支持廣泛的互連標(biāo)準(zhǔn)，隨著通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，使用像Ensigma這樣的可配置解調(diào)引擎的設(shè)備也可以通過固件升級的方式進(jìn)行，這會使得設(shè)備的使用壽命更長，并且不需要經(jīng)常進(jìn)行昂貴的系統(tǒng)升級。

“作為標(biāo)準(zhǔn)”的高級特性

如果一款產(chǎn)品沒有用處或者功能不全面，那么即使價格便宜、電池壽命更長也不會受到消費者的歡迎。產(chǎn)品開發(fā)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(chǔ)性能和特性從而提升用戶體驗的關(guān)鍵。

對于VR和AR設(shè)備來說，GPU提供的高性能計算可以用于圖像處理（比如穩(wěn)定化、校正、提升、人臉檢測和美化）、多媒體處理（比如實時穩(wěn)定性、信息提取和疊加）、計算機視覺（比如增強現(xiàn)實、邊緣和特征檢測）和游戲。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(tài)范圍、更好的低照度性能、更快的反應(yīng)時間、更強大的功能等。PowerVR Furian架構(gòu)設(shè)計旨在實現(xiàn)高效擴展到所需的更高性能，避免其他競爭方案中出現(xiàn)的性能密度問題。

未來的智能家居設(shè)備將需要SoC實現(xiàn)本地化數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端進(jìn)行后續(xù)處理和數(shù)據(jù)聚合。在很多情況下，推理操作可以在云端強大的硬件上進(jìn)行，但是由于很多原因現(xiàn)在要將這部分轉(zhuǎn)移到終端設(shè)備中來實現(xiàn)?？焖夙憫?yīng)是必須的，云端服務(wù)器由于延遲的問題因此在云端運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是不現(xiàn)實的。將這部分轉(zhuǎn)移到本地終端設(shè)備上來處理也消除了可能發(fā)生的安全問題，因為蜂窩網(wǎng)絡(luò)并不總是可用的，無論是3G、4G還是5G，因此專用的本地硬件將更加的可靠，并且提供更高的性能支持，關(guān)鍵是功耗大大的降低了。

隨著各種應(yīng)用使用日益復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，制造商需要像PowerVR 2NX這樣專用的硬件解決方案，這樣才能夠提供具有競爭力的產(chǎn)品。2NX NNA代表了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速和性能的一個拐點，圖片分類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運行在單核的2NX上能夠?qū)崿F(xiàn)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(jù)計算需要2NX可以單獨使用或與其他處理器（CPU/GPU）組合使用。此外對于安卓和其他現(xiàn)代操作系統(tǒng)還可以選擇MMU單元，無需額外的硅片或復(fù)雜的軟件集成。

在互連性方面，考慮到現(xiàn)在多種智能家居標(biāo)準(zhǔn)，我們需要的是支持所有標(biāo)準(zhǔn)的互連引擎。未來的智能家居網(wǎng)關(guān)將很可能結(jié)合802.11ax、802.15.4（Zigbee、Thread）和藍(lán)牙等。此外一些運營商正在考慮在網(wǎng)關(guān)中重新添加DETC功能來支持手機，因為他們將推出傳統(tǒng)的電話服務(wù)而只提供寬帶服務(wù)。Ensigma具有獨特的多標(biāo)準(zhǔn)和可編程架構(gòu)，為每種通信方式和網(wǎng)絡(luò)提供全面的解決方案，包括802.11a/b/g/n/ac（最多2x2 MIMO）、藍(lán)牙4.0（LE）、FM、DAB和其他幾種全球數(shù)字電視信號解調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。

可視化技術(shù)帶來真正的創(chuàng)新

為了實現(xiàn)真正智能家居這個愿景，目前還有很多挑戰(zhàn)需要克服，比如復(fù)雜性、價格、互操作性、易于實施等等。這些挑戰(zhàn)需要行業(yè)花費一定的時間來解決，當(dāng)然也需要消費者花費一定的時間來接受并且歡迎這些技術(shù)進(jìn)入他們的家中。與此同時，我們將會繼續(xù)看到更加智能的家居設(shè)備出現(xiàn)，讓我們的生活更加的簡單輕松、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(dāng)消費者能夠負(fù)擔(dān)的起并且這些所需的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)時，智能家居這個愿景才算真正的實現(xiàn)。當(dāng)智能家居開始匯聚所有互連設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動進(jìn)行監(jiān)控，作出正確的決定并且會在沒有消費者干預(yù)的情況下自主管理所有事情。

借助Imagination推出的創(chuàng)新性IP，我們正在朝著這個方向快速前進(jìn)，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·杰森（George Jetson）先生的生活方式那樣。