從分散IP到系統(tǒng)級優(yōu)化：芯原緊耦合架構重塑可穿戴設備設計路徑
芯原股份解決方案架構工程師劉律宏
“為了更好地解決AR/AI眼鏡面臨的難題，其設計思路也經(jīng)歷了從分散IP到系統(tǒng)級優(yōu)化的路徑。”他還指出，當前所有的技術點都集中于“如何突破可穿戴設備的能效邊界”上來，芯原的緊耦合架構解決方案為AR/AI眼鏡進行在功能、續(xù)航、重量上提供了一些思路。
給AR/AI眼鏡行業(yè)帶來的新思路
在AR眼鏡的開發(fā)中，重量和續(xù)航是兩個關鍵因素。典型AR眼鏡的重量分布如下：雙目波導方案約10克，傳感器（用于簡單手術識別和陀螺儀功能）約3-5克，500-800mAh電池約8-12克，而普通樹脂眼鏡框僅重10-30克。這表明，盡管技術組件增加了重量，但整體仍可保持在相對輕便的范圍內。
在續(xù)航方面，不同應用場景對電池容量的需求差異顯著。劉律宏以3個不同應用場景的AI眼鏡的續(xù)航為例，其中產品1配備500mAh電池，支持8小時連續(xù)視頻播放或影視投屏；產品2配備440mAh電池，在輕量級導航和即時消息通知等場景下續(xù)航4-6小時；產品3配備1200mAh以上電池，在3D解剖教學和手術模擬等復雜場景下續(xù)航4.5小時。
他指出，隨著應用的復雜性越來越高，AI眼鏡的續(xù)航大幅下降。通過觀察市面上47款消費類AR眼鏡，其中大部分重量集中在30-80克，電池容量多在450mAh以下。在這些眼鏡中，明顯看到了“隨著應用復雜性的增加，續(xù)航時間顯著下降”的趨勢。
為了推動AR眼鏡的更廣泛應用，重量控制至關重要。在多媒體子系統(tǒng)開發(fā)中，需要在功能豐富性、強大算力與輕量化、低功耗、高效數(shù)據(jù)傳輸和低帶寬需求之間取得平衡。這要求在功能豐富性和續(xù)航能力之間找到最佳平衡點，同時確保佩戴舒適性，以滿足消費者需求并拓展應用場景。
在此背景下，芯原憑借在可穿戴設備市場的多年經(jīng)驗及深入研究，推出了專為該領域設計的IP系列。這些IP系列具備低功耗和小面積的優(yōu)勢，包含GPU、NPU、ISP、Dewarp、Video等產品，可實現(xiàn)物體識別、手勢識別、視覺感知、語音識別、圖像渲染和顯示等功能，全面覆蓋從AR眼鏡到智能手表等不同可穿戴設備的應用需求。
劉律宏介紹說，芯原的可穿戴設備IP系列涵蓋5個細分系列，包括輕量級的Pico、Nano和Nano+等，能夠廣泛適配多種可穿戴產品，助力其實現(xiàn)落地應用。每個IP均提供豐富的可配置選項，即便針對同一產品，也能依據(jù)對市場的不同理解及產品定位的差異，實現(xiàn)獨特的產品差異化。
芯原在系統(tǒng)層面進行了深度開發(fā)，專注于可穿戴設備的長期使用需求。通過研究外存類型及特性，以及不同應用場景對PPI（每英寸像素）的敏感度，優(yōu)化了可穿戴IP的整合方式，使其在產品落地時實現(xiàn)“1+1>2”的協(xié)同效應。
其中，F(xiàn)LEXA IP互聯(lián)技術采用點對點互聯(lián)方式，避免了傳統(tǒng)方案中通過外存進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘捳加脝栴}。這種方式顯著提升了系統(tǒng)效率，減少了對外存的依賴，從而優(yōu)化了整體性能和功耗表現(xiàn)。
此外，芯原開發(fā)了DECNano有損數(shù)據(jù)壓縮技術，采用自有的壓縮算法，實現(xiàn)2-4倍的有效壓縮率。經(jīng)過多輪技術迭代，在保持高壓縮率的同時，持續(xù)提升壓縮后圖像的主觀質量，實現(xiàn)高效壓縮與圖像品質的兼顧。運用該技術可顯著降低系統(tǒng)帶寬消耗及外部存儲空間需求。
整體來看，芯原的可穿戴方案不僅涵蓋硬件層面，還通過三個層面提供全方位支持，確保生態(tài)和軟件的全面適配：
- 第一是IP層面，提供靈活可配置的IP系列，客戶可根據(jù)產品需求選擇最適合的IP組合，確保方案的靈活性和適配性；
- 第二是系統(tǒng)層面，通過FLEXA技術和壓縮技術，高效連接可穿戴IP系列，優(yōu)化系統(tǒng)性能，提升數(shù)據(jù)傳輸效率，減少帶寬和存儲占用；
- 第三是軟件層面，針對可穿戴設備的特點，開發(fā)了精簡的Lite版IP軟件，該軟件具有極小的代碼量、極低的外存占用和CPU負載，支持RTOS、Linux和Android等多種操作系統(tǒng)，滿足不同場景的需求。
芯原通過這三層方案，為客戶提供從硬件到系統(tǒng)的全方位支持，助力可穿戴設備的快速落地和多樣化應用。
芯原可穿戴方案在客戶項目中的落地
“我們可穿戴方案在客戶項目中的目標芯片功能復雜，包含ISP、DSP、VDEC、VENC、DPU、SRAM、GPU等模塊。”劉律宏補充說，然而該芯片面臨外存帶寬和存儲空間的嚴格限制，且配備的PSRAM控制器較為簡單。這導致多處理型IP對數(shù)據(jù)占用的精準控制難以實現(xiàn)，增加了系統(tǒng)設計的挑戰(zhàn)。
針對客戶原始設計方案存在帶寬超出預算50%、性能差距接近50%的問題。它們在采用芯原可穿戴方案后，通過IP層面優(yōu)化，使用芯原的可穿戴IP系列，其產品的整體面積節(jié)省了20%，功耗降低了30%，顯著提升了系統(tǒng)效率和性能表現(xiàn)。
客戶基于芯原的可穿戴方案，深入分析了產品芯片的應用場景，對子系統(tǒng)進行了重新分配，并在數(shù)據(jù)路徑（Datapath）上進行了優(yōu)化，應用了FLEXA IP互聯(lián)技術。通過這些改進，兩個子系統(tǒng)幾乎實現(xiàn)了全DDR-Less方案，大幅減少了對外存的訪問比例，顯著提升了系統(tǒng)效率和性能表現(xiàn)。
通過采用芯原的可穿戴方案，客戶在系統(tǒng)性能、功耗和資源優(yōu)化方面取得了顯著提升。整體性能比原方案提升70%，系統(tǒng)功耗優(yōu)化提升60%，IP級帶寬優(yōu)化56.32%，外存空間節(jié)約73.89%。此外，該方案已成功應用于AR/VR產品中，通過在視頻采集和顯示子系統(tǒng)中使用FLEXA技術，實現(xiàn)了極低延遲的編碼和解碼功能，進一步提升了用戶體驗。
小結：
目前，芯原的可穿戴方案已經(jīng)成功應用于AR、VR、智能手表、IPC等設備。通過與客戶的緊密合作、不斷收集反饋，并在此基礎上持續(xù)迭代技術，從而提供更優(yōu)質的解決方案。“我們深知，AR眼鏡技術的發(fā)展絕非單一企業(yè)之力所能及，它需要整個生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同努力。”劉律宏說。
在可穿戴IP系列方面，芯原將持續(xù)根據(jù)客戶的反饋進行開發(fā)，以確保其產品能夠靈活適配市場的需求。在系統(tǒng)方案落地方面，致力于提升IP之間的互聯(lián)效率，并構建更加緊湊的互聯(lián)結構。同時，也將持續(xù)投入于新技術的研發(fā)，例如EIS（電子防抖）和SLAM（同步定位與地圖構建）等技術。
此外，生態(tài)合作也是其關注的重點領域。據(jù)介紹，芯原計劃與產業(yè)鏈的上下游企業(yè)緊密合作，共同推動AR眼鏡技術的發(fā)展和應用落地。針對可穿戴設備的特點，將持續(xù)優(yōu)化Lite版IP軟件，確保其具有極小的代碼量、低存儲占用和低CPU負載，并支持多種操作系統(tǒng)。
劉律宏最后表示：“相信通過這些持續(xù)的努力，芯原致力于為客戶提供全方位的技術支持，推動可穿戴設備市場的創(chuàng)新和發(fā)展。”
