芯原戴伟进：针对应用场景的技术创新引领可穿戴设备发展热潮

20世纪60年代麻省理工学院提出可穿戴技术的概念，利用该技术把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣物中，通过手势和眼动操作等多种交互方式为用户提供实时数据监测、通信、拍摄、娱乐等功能。通信、半导体、显示及互联网技术的发展，使得可穿戴设备逐渐在消费、医疗健康、工业、教育、娱乐等领域表现出广阔的应用潜力。如今，智能手表、手环、蓝牙耳机，已经成为很多人必不可少的随身设备，甚至成为人们“皮肤”的一部分，深度参与和影响着我们的生活。

智能手表不断演进，需要什么样的SoC？

纵观市场，以智能手表/手环、智能眼镜等产品为代表的智能可穿戴设备被认为是继智能手机之后的下一个十亿级出货量的产品，这些产品形成了当前主导可穿戴设备市场的格局。其中，智能手表可以说是当前消费者最熟悉、接受度最高的可穿戴设备。智能手表自诞生以来，已经从一个简单的时间显示设备，发展成为一个拥有多样化功能、并且与我们日常生活紧密相连的可穿戴设备，向着人们身上穿戴“标配”的地位前进。

芯原执行副总裁、IP事业部总经理戴伟进表示，智能手表的健康监测功能具有手机无法比拟的优势。与手机相比，智能手表更加个人化和便携，可以在不影响日常活动的情况下进行长时间的健康监测。而手机通常需要主动操作，难以实现全天候的跟踪和即时反馈。因此，对于健康监测而言，智能手表提供了更为直接且实时的用户体验，这是传统智能手机难以匹敌的，也将成为推动智能手表普及的核心竞争力之一。

在每个不同阶段，智能手表中所使用的芯片随着功能的不断丰富而增加。戴伟进举例说，比如第二阶段的智能手表显著特征是开始配备触摸屏，需要采用 (2D/2.5D) GPU、显示处理器；随着智能手表功能的不断丰富，需要增加视频处理器；更高端的智能手表搭载了基带芯片具备通信功能，需要再增加DSP。到了第三阶段，智能手表搭载了各种传感器，具备摄像功能，对图片和视频处理的需求进一步提高，就需要升级至3D GPU，增加ISP及NPU。

在戴伟进看来，通过声音、对话、视觉、手势与数字世界自然地互动，将成为智能手表的长期演进方向。现阶段智能手表市场真正起量不久，仍在稳健增长，并且逐渐显示出部分功能代替智能手机的趋势。

“不难发现，与智能手机的进化类似，可穿戴设备同样正在把越来越多的功能集成到单一设备中，逐渐成为我们日常必备的‘粘性’产品。”戴伟进指出，“随着包括智能手表在内的可穿戴设备向功能集成化、交互多样化、形态轻便化演进，产品性能与功耗之间的平衡尤为重要，需要在有限的封装空间实现集成化，并且在提高芯片性能的同时保证续航水平。性能、成本与功耗的平衡，成为可穿戴设备芯片的决胜点。”

AR/VR设备热潮再起，推动专用芯片变革

研究机构IDC的报告显示，AR设备的长期增长势头非常强劲，2022年全球AR头显的交付量约为26万台，预计未来5年复合年增长率将达到70.3%，到2026年底AR头显交付量将达410万台，逐步成为可穿戴设备市场的又一主力。对于中国市场，2023年AR市场出货预计24万台，同比增长133.9%。其中一体式AR出货预计3.5万台，分体式预计AR（目前产品大多需连接智能手机使用）出货20.5万台。2024年，AR出货预计将持续高速增长，增速预计达101.0%。分体式AR仍将是AR品类的主流，但值得关注的是，伴随高通AR专用芯片发布及光波导技术进步，主流厂商将接连发布或迭代一体式AR眼镜，预计2024年全年出货6万台，增长68.5%。

戴伟进指出，AR/VR仍存在一些亟待解决的问题，如易用性、体验感、舒适度和内容资源等，从技术角度来看，最关键的挑战还是要解决功耗、无线连接和延时问题。“以智能眼镜为例，设备不能太重，不能过于发烫，不要在使用时拿下来充电，关键就在于电池技术和芯片性能。芯片如果不适用或功耗过大，电池就会更重一些，这将影响眼镜的使用体验。”

他分析，智能手表与AR/VR设备所需的芯片存在一定差异，前者对尺寸、功耗、成本更为敏感，目前可以通过一系列优化的低功耗IP组合来满足上述需求。相比之下，AR/VR设备则对芯片算力的要求更高，AR/VR产品一开始并没有专用芯片，都是用智能手表芯片增加一些功能模块，或者直接用手机主芯片来驱动产品。但是随着产品演进，越来越需要专用的AR/VR芯片来驱动产品。

满足始终在线、低功耗以及全性能的全场景应用的“组合拳”

戴伟进分析指出，可穿戴设备芯片设计的难点和挑战在于，在超低功耗下实现用户长时间佩戴，延长充电周期，同时保持与云端的不间断连接、精确记录数据和实时反馈，并支持完整的操作和图形界面，以满足大众市场的需求。因此，性能、成本与功耗之间的平衡至关重要，需要不断提升芯片计算和通信集成能力，在有限的电池容量下实现更小的工作和待机功耗，更需要在设计架构、制造工艺、软件配套算法等多个方面加以优化。

为此，芯原为不同场景应用提供了不同的IP组合，客户可以依据自身SoC设计需求来选择IP搭配。例如，SoC中的GPU部分，根据不同芯片尺寸、性能需求和功耗预算，来选择提供成熟2D图形解决方案的2D GPU IP，或者提供UI硬件加速渲染的2.5D GPU IP，或者具有更高的能效和成本效益、并提高了3D图形渲染和计算性能的3D GPU IP。

戴伟进提到了一种以客户应用场景为基础的节能的SoC架构的设计理念。该理念的核心是将节能推向极致，其衡量标准是全天能量消耗的总量。在这种SoC设计中，一颗芯片集成了多个功能相似、性能和功耗配置不同的IP，根据使用场景动态地选择工作IP，以确保以最低的功耗完成各项任务。简而言之，该策略的目的是通过动态选择不同性能和功耗的IP来最小化整体的能耗，在SoC设计中有效地管理电源域并进行切换。芯原已经在其设计的AR SoC芯片中采用了这一策略。

“在以‘应用场景驱动’的高能效可穿戴SoC架构框架下，我们对每个功能模块的工作功耗特性了如指掌，从而能对该模块中的IP子系统进行针对性优化。”戴伟进指出，“芯原拥有足够丰富的面向不同应用场景的从低功耗到高性能的IP组合，能够满足AR/VR设备所需。基于芯原IP的AR/VR芯片解决方案，其各个不同功能模块可灵活配置，并可以通过芯原的FLEXA技术尽量减少外部DDR的访问，可以有效提升芯片整体计算效率，并帮助降低功耗和系统整体成本。” 戴伟进透露，已有部分客户正在研究专用于AR/VR眼镜的芯片，以提升相关产品的性能和使用体验。

“如果要打造基于GPU的智能手表，可以使用14nm及以下先进工艺，来有效降低芯片功耗，但是成本也会大幅提升，需要设计者做出权衡。芯原GPU IP包括一系列可灵活配置功耗和性能的产品组合，例如通过2D/2.5D GPU IP可以达到3D的效果，以更低成本和低功耗提供更高性能，是用于入门级智能手表、支持显示功能的可穿戴芯片（MCU）的最佳解决方案。”戴伟进强调。

芯原的低功耗且功能丰富的2.5D图形处理器（GPU）IP和与其配套的显示处理IP被全球智能手表SoC供应商广泛采用。这些技术专为提升智能手表的用户体验而设计，能够提供高性能、高质量的矢量图形，并在能效和芯片尺寸方面优于同类产品。在今年1月的国际消费类电子产品展览会（CES 2024）期间，芯原宣布专注于提供图形用户界面（GUI）软件服务的趣戴科技（QDay Technology）已加入其手表GUI生态系统，共同开发适用于各种应用的智能手表GUI解决方案。通过与趣戴科技等生态系统伙伴的合作，芯原可以进一步推动更多样化的智能手表应用的开发。

戴伟进还指出，随着智能手表功能的不断丰富，操作系统正在从实时操作系统（RTOS）升级到更高级的可穿戴操作系统，例如Android Wear。为了满足这些操作系统的需求，3D GPU技术的重要性进一步凸显。这类操作系统要求支持标准的3D GPU API，比如OpenGL ES和Vulkan，以便更高效地利用GPU资源，并呈现更高质量的3D图形效果，从而提升用户的视觉体验。

无论是智能手表、智能眼镜，还是正在兴起的AR/VR设备，可穿戴设备低延时的实时交互成为影响用户体验的关键指标。芯原自研的低功耗、低延迟FLEXA同步接口通信技术，允许IP之间进行低延时、无DDR的数据交换，可将不同IP进行组合来实现低功耗、低延时和高性能的混合计算。例如通过FLEXA技术将AI引擎与其ISP IP相结合，形成的AI-ISP IP可以显著增强传统ISP的功能，同时在ISP和AI引擎之间不引入额外的帧缓冲延时和DDR带宽；通过FLEXA连接ISP和视频编码器，可优化摄像机系统的延时和功耗；由芯原面向可穿戴设备的ISPNano和VCNano IP，以及FLEXA组合的子系统，可提供无DDR和低延时的视频捕获和编码，对于提高智能手表和AR眼镜等产品的用户体验至关重要等。

另一个值得关注的变化是，RISC-V正因其开源、灵活、低功耗、可定制化优势而开始在可穿戴市场获得关注。去年10月，高通就宣布与谷歌合作，开发RISC-V Snapdragon Wear平台，为下一代Wear OS解决方案提供支持，从而扩大在可穿戴设备领域的合作。戴伟进表示，基于RISC-V的可穿戴/AIoT设备为MCU/MPU硬件市场带来更多的机会。芯原可以为上述产品提供丰富的IP和子系统解决方案，以支持其蓬勃发展。

展望未来，戴伟进指出，可穿戴设备已经发展了十来年，这一市场依然在不断发掘新产品形态、新应用场景以及技术创新。与此同时，围绕健康运动，可穿戴市场仍有丰富的产品类型和需求有待探索。芯原将一如既往地积极拓展和优化更多先进的IP、芯片定制和系统级解决方案，致力于通过提供PPA（功耗、性能、面积）优化的强大技术组合持续创新，从而更好地服务SoC客户及其终端客户。


（来源：爱集微）