为何存储器会成为阻挡AI发展的难点,AI和话音技

作者: 必德电竞  发布:2019-05-22

两年半前,当研究人员将一个图像识别程序缩小到一个糖果大小而售价5美元的电脑上时,这是一件大事,而现在,这是一件更大的事情。人工智能公司将重新设计其人工智能软件,使之适用于太阳能芯片,这种芯片耗能极低。

边缘计算性能的提升给存储器的设计,类型的选择和配置都带来挑战,这也导致在不同的应用市场中需要进行更复杂的权衡。芯片架构正在与新市场一起发展,但数据在芯片、设备之间以及系统之间如何移动并不总是很清楚。汽车和AI应用的数据正变得越来越多和复杂,但芯片架构在处理时有时不清楚如何优先处理数据。

随着物联网技术、大数据、云计算及人工智能等技术的迅速发展,家电智能化已成为必然趋势。这为家电和半导体企业勾勒出非常全新的发展蓝图,也有许多技术难题横亘在前,亟待突破。

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这让芯片设计人员面临抉择,是选择共用内存降低成本,还是增加不同类型内存提高性能和降低功耗。

智能化——大势所趋,形势倒逼

技术负责人阿里法哈迪解释说:“这是一个关键的技术里程碑,而不是一个产品,”减少人工智能软件的硬件和电源需求应该会大大扩展潜在应用的范围。

所有这些都是以安全为前提,并且不同的市场设计的要求也不一样。比如,汽车中的各种类型的图像传感器(如激光雷达和摄像头)的大量数据需要在本地处理。AI芯片则希望性能能够提升100倍。

2018年家电行业并不像传说中的悲观。中国家用电器研究院和全国家用电器工业信息中心联合最新报告显示,2018年中国家电市场规模达到8104亿元,同比增幅达到1.9%。除彩电之外,空调、冰洗、厨卫、生活小家电都实现了增长。

“我们的家可以比现在更智能。因为现在我们可以在家里安装很多这样的设备,在室外,可以想象把人工智能芯片放在红绿灯上,在指定的时间检测一个十字路口有多忙,并据此指挥交通。人工智能芯片可以绑在气球上或散布在森林中,用来监控野生动物或作为野火的早期预警系统。

解决内存问题有一些方法,其中一种是片上存储器,也就是将存储器分散地集成在运算单元旁,最大程度减少数据搬移,这种方法的目标是通过减少负载和存储的数量来突破内存瓶颈,也能降低功耗。

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索菲莱布雷希特,人工智能负责战略和运营的高级副总裁说,这种芯片甚至可能足够便宜,足够智能,可以投进火灾或灾区,感知哪里有需要救援的人。

“存算一体(In-memory computing)可能是模拟的、数字的,或两者都有。” Cadence Digital&Signoff Group的高级首席产品经理Dave Pursley说,“虽然在内存中进行计算的想法可能是日益增长的趋势,但在这种计算中实际发生的情况似乎大不相同。”

不过,家电市场饱和问题一直困扰着整个行业,而智能化成为家电行业的新希望。

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SRAM和DRAM仍是主流

中商产业研究院最新发布的报告显示:2018年中国智能家电行业市场规模达到了近3500亿元,预计到2020年中国智能家电行业市场规模有望突破5000亿元。其中,2018年,智能洗衣机(具有WIFI或者自动投放功能的型号),零售额份额从36.6%上升到39.8%。

这项技术的关键是减少所需的电力,它可以由一个饼干大的太阳能电池提供全部能量来源。也可以将软件安装在成本仅为2美元的FPGA芯片上,运行芯片和迷你相机只需要几毫瓦的功率。

尽管市场出现了新的变化,但片上SRAM和片外DRAM仍是主流。已经有专家预测DRAM多年后将“死亡”,但它仍然是最经济和可靠的选择。DRAM具有高密度、架构简单、低延迟和高性能的特性,兼具耐用和低功耗的特性。

可见,我国智能家电行业市场规模呈现出的是快速增长的趋势。未来智能家电肯定会更加成熟,智能家电行业发展前景十分广阔,因此众多家电企业纷纷加快智能化布局。

在新闻发布会上说:“有了这种低功耗的技术,一个只用硬币电池的设备就可以一直开着,运行32年。”

DRAM密度的增速正在放缓,但HBM2等新架构允许通过堆叠模块的方式而不是使用DIMM来垂直增加密度,这种方法还让DRAM更靠近处理单元。

一方面,大企业正在推动智能化。对于家电产业,智能化早已成为共识,但是市场上始终缺乏一个爆款。不少厂商曾试图通过智能音箱、智能路由、智能电视等单品进行突破,但仍摆脱不了“雷声大、雨点小”的局面。

这意味着不需要将人工智能芯片与电源连接,也不需要更换电池或给它们充电。这种芯片将能够在独立设备上运行人工智能算法,而不必通过云与庞大的数据服务器不断通信。如果这些设备需要传输数据,它们可以通过低功耗的远程无线连接进行传输。这种边缘计算方法可能会减轻数十亿台支持人工智能设备的压力。

另外,SRAM价格昂贵且密度有限,但其高速性能多年来已被验证。片上存储器的挑战是采用分布还是共用的方式,在某些情况下,为保证安全性需要增加冗余。

然而,进入2019年,家电企业在智能产品方面都立下了雄心壮志。TCL智能终端业务群计划2023年营收达到2000亿元,海信集团计划到2025年营收冲击3000亿元人民币,乐融与京东宣布深度战略合作。

此技术目前被称为“太阳能人工智能”,它将开启更多的商业领域,但他们无法预测首批应用程序是会出现在家里、大街上还是偏僻的地方。

“所有这些要求都会影响存储器的类型和数量的选择,还涉及片上和片外存储器之间的权衡,以及访问每个存储器互连的复杂性。”Arm高级物联网架构师Ryan Lim表示。

除传统家电巨头外,BAT等互联网企业同样是家电智能化的积极推手。近日,腾讯在上海宣布与家电企业长虹达成战略合作,基于腾讯叮当AI助手解决方案的长虹新一代智能电视对外发布,这也是腾讯叮当AI助手在家电领域的首次落地。

他们说:“它将开启许多不同的东西,就像发明电灯时一样:没有人知道如何使用它。”“技术是现成的,我们会找出确切的产品。”

低功耗存储器是关键

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存储器的一个关键问题是功耗,其中存储器类型和配置等多种因素都会影响功耗。例如,在7nm的存储器中进行数据的存取可能消耗更多功耗,这是因为线路中的RC延迟。当然,这也会产生热量,有可能会破坏输入输出存储器的信号的完整性。

另一方面,小企业被迫智能化。在传统大家电这样相对成熟且竞争激烈的行业,增长空间本就有限,品牌之间基本是此消彼长。市场份额持续向头部品牌集中,就是在不断压缩中小品牌的生存空间。在2018年,中小品牌的生存环境不容乐观,而在2019年会更加残酷。消费升级驱动下,智能家电理念深入人心,如果不及时智能化,小品牌还将继续被边缘化,甚至被淘汰。

不过,较慢的片外数据使用高带宽内存可以节省功耗,并且可以与高速GDDR6一样快。如何做出这些决定取决有多种因素,包括设备的平均售价和选择的存储器类型。

人工智能——根本推动力

还有针对手持移动设备的极低功耗的存储器,包括越来越多使用电池的边缘设备。

伴随着人工智能、物联网、大数据等新一代信息技术的驱动,人工智能正逐渐成为家电产品的标配。专家认为,在消费升级和人工智能技术的加持下,中国家电业正重回“潮头”,加快向智能化转型升级。

“这些存储器具有极高的效能,可在一定程度上提升电池供电设备的功耗和数据速率。” Rambus杰出的院士Steven Woo说。“它们也可以在多种模式下工作,当处于待机状态时,可以消耗很少的能量满足手机和平板电脑等产品的需求,并在需要进行处理时快速切换到更高性能/更高功率的模式。 ”

松下家电有限公司总经理吴亮表示,近年来智能以及AI的发展,给人们的生活带来一系列变革,家电作为这场变革的核心,在生活中将不再是一个设备,它将给人们带来更好的生活体验。在此背景下,松下电器结合日本提出的HomeX概念,与国内三个知名大学进行合作,进行相关探索。

低功耗存储器还支持多种封装方式,允许它们与手机处理器堆叠在一起,满足智能手机的轻薄需求,也能集成在PCB上支持平板电脑和其他消费类设备高容量内存配置的需求。

“人机交互的新时代已经到来。”美的集团中央研究院副院长徐成茂表示,美的利用语音识别、图像识别、人工智能等大量前沿科技去改造智能家电,让消费者不需要通过遥控器或者APP,就可以享受到家电的“主动”服务。

毫无疑问,开发低功耗存储器是一项挑战。“当设计低功耗存储器时,它们支持的速率范围很广,相对低功耗存储器而言,这些数据速率往往是相当高的。”Woo说。“这通常是由一两个主要应用市场驱动,所以它必须面向一个市场很大的行业,拥有足够大市场的行业才能催生新的存储器。从历史上看,手机市场是成功的例子。如果与不同的手机制造商交谈,他们都希望获得性能和电源效率更高的存储器,因为他们希望能够延长电池寿命。对于其他想要使用低功耗存储器的公司,他们会很庆幸其他人正在帮他们实现。“

进入2019年,AI已经成为了高端家电产品的推广关键词。比如在今年的AWE上,海尔推出了针对不同场景的“4 7 N”智慧家庭定制方案,让各种家电产品在AI时代“重生”,仿佛加上了眼睛、嘴巴和耳朵,可以与“主人”随意交互,并联接背后的服务。

通常,这些合格的存储器可能在几种不同的数据速率下运行,但速率很接近。“这些存储器可能有一个是每秒4.2千兆比特的速率,另一个是3.2千兆比特。”他解释道,“这可以让内存制造商在生产所有这些存储器时,进行所谓的分级。当某些部件没有全速运行时会发生这种情况,但制造商依旧会出售这些内存,因为有些客户需要以更便宜的价格购买性能较低的存储器。Binning允许这种情况。这些产品的性能在一定的范围内,都属于合格品。“

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存储器如何影响人工智能发展?

瑞萨电子中国产业解决方案中心工业和家电部高级专家王志航表示,为了提高系统的附加价值,AI已经被广泛地集成到智能家居系统中,并开始走进我们的生活。通过增加AI功能,设备端智能化的装载肯定会增加。终端智能化的优点是通过在终端侧增加识别功能、减少通信数据量,就会有更好的实时响应,并减少处理工作,还可以提高系统的安全级别。智能家居是瑞萨电子重要的业务发展方向之一。

人工智能在几乎所有新技术中都扮演着重要角色,而存储器又在人工智能中起着重要作用。极高的速度和极低的功率是芯片一直以来追求的,不过这并不总是有效,因为空间有限。但它能解释为什么数据中心和用于训练的AI芯片比应用于终端推理设备的芯片更大。另一种方法是减少一些片外存储芯片,以提高数据吞吐量并通过设计减少到内存的距离,或者限制片外数据流。

佛山凝旭,家电智能化信息科技有限公司刘志云在接受大比特《半导体器件应用》记者采访时表示,随着物联网技术、大数据、云计算及人工智能等技术的迅速发展已成为必然趋势。智能化、高端化、健康化是关键,“健康”、“绿色”概念将成为家电业创新和增长的一个重要方向。而对于小家电企业来说,智能化更是一次从技术研发、产品升级到用户服务、渠道布局的系统化革命。智能技术的创新也提高了小家电产品的性能和品质,创造出了新的市场需求。

在任何一种情况下,片外存储器的竞争很大程度上归结为DRAM-GDDR和HBM。

不过,云知声联合创始人康恒表示,电视、空调等大家电产品的利润足以覆盖语音模组的高成本,但风扇、电灯等小家电成本限制较大,模组的优势便削弱了,“客户想做更多的智能品类,下沉到低端产品,但市场上根本找不到合适的芯片,一款百元以内的产品,通用芯片并不划算。”

“从工程和生产的角度来看,GDDR看起来很像其他类型的DRAMs,如DDR和LPDDR,”Woo说。“你可以将它集成到标准PCB板上,还能用类似的制造工艺。HBM是新一些的技术,它涉及堆叠和内插器(interposers),因为HBM有许多连接速度较慢。每个HBM堆栈将具有一千个连接,因此需要高密度的互连,这远远超过PCB的处理能力。这就是为什么有些公司正在使用内插器,因为可以将这些导线蚀刻得非常接近,很像片上连接,可以获得更多的连接。“

语音入口——第一推动力

HBM追求最高性能和最佳功效,但成本更高,需要更多的工程时间和技术。使用GDDR,DRAM和处理器之间的互连就没那么多,但它们的运行速度要快得多,这会影响信号完整性。

现在智能语音助理开始整合至物联网产品当中,如原先仅能播放音乐的音箱,现在开始加上智能语音助理功能,让智能音箱成为专属私人助理,现在这波智能语音助理更从音箱开始扩及冰箱等其他家电产品。

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图1:各种类型DRAM的特点。图片来源:Rambus

如果说就目前而言,人工智能之于家电有点“噱头”,并没有强有力的体验感,那么语音技术无疑是让消费者感受便利最为直接的功能,可以说是推动智能家电的第一推动力。

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腾讯智能平台产品部副总经理陈谦表示,人工智能已默默地融入到家庭生活的方方面面,而智能语音交互技术彻底革新了人与硬件设备的“相处模式”。其中,智能电视将成为家庭交互终端的入口,开启家庭娱乐的新场景。

功率,性能和面积(Power、Performance、Area)仍然是关键驱动因素,尽管有架构和变革和新技术。

宁波海大物联科技黄晨总经理认为,智能化趋势是不可逆转的,用户的舒适度与方便感是需要重要考虑的因素。

“这三个都非常重要,但很大程度上取决于应用。”西门子Mentor知识产权部门总经理Farzad Zarrinfar表示。“例如,如果是一个便携应用,功耗非常重要。电源本身也分动态和静态。一部分是动态功率,一部是静态功率。如果应用于无线通信,如果有大量计算,动态功率非常重要。但是,如果是可穿戴式应用,使用者会处于睡觉、醒来运动,然后又回到睡眠的不同状态,静态/泄漏功率非常重要。“

关于语音技术,现代单片机公司销售经理王建伟表示,由于未来老年人家庭比重会逐年增加,流畅的语音控制与便捷的场景识别,可更好地提高老年人生活质量。

浅睡眠等功能使设计人员能够大幅减少泄漏,这时,不工作的存储器进入源偏置模式以减少泄漏,而其他被直接访问的存储组是工作的。在设计的深度睡眠时,可以通过电源管理,管理Vdd和最小化泄漏的技术来保留数据。如果不需要保留数据,则用关闭模式能进一步减少泄漏。

刘志云也非常肯定语音技术的前景。他认为,说话是人们最常用的交流方式,高效快捷,随着人工智能算法的不断成熟,语音识别和控制在家电也会逐步普及,特别是现在各大巨头都在做智能音箱,抢占语音控制的中心。“我们推出了语音识别模组,目前在晾衣架、油烟机、智能家居中控等产品都有批量使用。”

与电源效率相关的一切在汽车中也是至关重要的。“在电动汽车中,电池的寿命非常重要,因此耗电量至关重要,”Zarrinfar说。“人们希望从-40�C一直到125�C都具有线性的特性,甚至在更高的150�C情况下。他们不希望在高温下泄漏陡然增长,并且他们希望尽可能地将其保持在线性范围内。同样,我们必须在整个温度范围内注意功耗和泄漏,这非常重要。“

而恩智浦半导体则推出了全球首款基于微控制器的语音控制解决方案,已获得亚马逊Alexa语音服务认证。该解决方案可帮助原始设备制造商快速、轻松、经济地为其产品添加语音控制,使客户能够使用Alexa获得丰富的语音体验。

无论应用领域如何,功率仍然是首要考虑因素。“我们看到随着SoC设计向更小化发展。”他说。“存储器的消耗正在增加,嵌入式存储器的容量也在增加。现在,我们看到超过50%的裸片是存储器。所以人们必须注意存储器的耗电量。“

在今年的AWE展会上,康佳与国内知名的智能语音交互决策方案提供商蓦然认知合作,推出了搭载智能语音交互决策系统的A2艺术电视新品,打通了服务和付费的闭环,让语音购物成为现实。

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不过,杭州路瑞科技销售王凯则认为,目前阶段家电行业的语音控制的识别率较弱,例如方言的识别做得不够到位,未来家电智能化的关键是算法。。

图2:1999 - 2023年平均晶圆面积 来源:Semico Research

而上海东软载波微电子经理陈胜勤也提醒到,语音控制与场景识别对于行动不便的人群有较大的意义,但是从社会大基数的人群来看,这两大功能可以说可有可无的存在,做不到“雪中送碳” 的效果,勉强算是“锦上添花”。如今社会整体的发展趋势是往智能化前进,但是很多家电厂家过多的注重物联网、智能化,而忽视了产品的核心功能,造成了不必要研发浪费。

结论

王建伟认为,未来家电智能化的关键是方便,需要解决目前用户体验出现的问题,刚性需求的问题解决,才能使后续智能化前进的道路更加平坦。

尽管有大量革命性技术和创新架构,但内存仍然是设计的核心。虽然即将出现新的存储器类型,例如相变和自旋扭矩,但大部分仍然应用于各种条件的市场。最大的变化在于如何对现有存储器进行优先级划分、共用、在设计中选择,以及最终如何使用它们。虽然这听起来像是一个简单的问题,但事实并非如此。

东莞盈聚电源工程师姚海洪也强调了体验问题:“未来家电智能化的关键是要跟上主流技术与重视消费者体验。”

“选择正确的内存解决方案通常是获得最佳系统性能的最关键。” Synopsys高级技术营销经理Vadhiraj Sankaranarayanan 在最近发表的一份白皮书中指出,这说起来容易做起来难。

黄晨总经理则认为未来家电智能化的关键就是数据,现在属于大数据时代,需解决数据收集与数据传送这两个问题。

陈胜勤比较看重智能家电软件与硬件的技术提升。“硬件芯片的主控能力需做到不断提升,这样才能够更大满足应用的需求;软件则需拓展产品的新功能,例如功能可跨平台、互联互通。”

物联网——智能化的依托

随着5G时代不断走近我们的生活,物联网时代将迎来跳跃式发展,而这将加速智能家电的发展。

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路瑞王凯认为,物联网与智能家电、家居结合是必然趋势。现代单片机王建伟表示,家电智能化转型升级,需要依托一个完善的物联网平台。

对于物联网的影响,盈聚电源姚海洪表示,物联网技术对于家电智能化的影响就是多功能化,传统家电单一功能已经不适应时代的潮流。

黄晨总经理认为,目前传统家电市场属于互拼价格的阶段,物联网技术转型成功的家电企业必然会在未来市场有宽广的前景。

刘志云则更为积极地看待物联网在家电行业的应用。他认为,物联网使家电产品突破了传统产品功能的局限性,迈向"智能化"、"互联化"和"便捷化"发展方向,给人们带来了一种高附加值的未来生活方式。家电企业利用物联网技术,通过满足客户的需求,降低产品价格,构建技术层面的竞争壁垒大大提升品牌竞争力。

Microchip亚太区家电解决方案部市场营销经理Alan Lee指出:“随着生活水平不断提高,家电需要超越最基本的功能,我们必将看到更多更智能的家电产品在市场上涌现。现在,我们已拥有将传统家电转变为智能设备所需的一切关键技术。例如,丰富多样的传感技术和联网技术等。”

不过,东软载波陈胜勤提醒道:“物联网是人们重视的一个方向,但是物联网对于某些家电智能化来说不是必要的。例如冰箱智能显示屏这功能就显得多余了,从用户体验的角度上看,这不是用户的真正需求。”

智能化拉动芯片需求

物联网市场越趋广大,加上智能化趋势不变,让家电使用半导体组件也随之增长。其中,由于半导体组件增加,让电源管理需求更将庞大,以音箱产品举例,过去音箱仅需使用AC/DC电源管理IC,仅少部分的面板电源管理IC等,现在加入数字信号处理器、LCD面板驱动IC后,电源管理IC相较以往出现倍数增长。

而且在智能家居不断渗透的趋势下,未来5年,家电领域芯片市场将保持10%%以上的年复合增长率。

在强调家电智能化的同时,家电节能化也不容忽视,节能化的发展趋势使得芯片用量不断提高。相较于传统家电,智能家电融合物联网、云计算、大数据等技术,对处理器芯片、传感器、通信连接芯片、音视频等芯片产品性能和数量需求迅速提升,预计2020年家电中芯片占比将从目前的2%%提高到4%%。

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硅力杰表示,产品应用面逐步扩大,市场需求增加,加上物联网的推动下,以及节能环保意识的崛起,白色家电多加入电力计量、电量控制等功能,因此公司在此方面也采少量多样的方式切入产品。

硅力-KY指出,今年消费性及物联网产品市场将成为所有产品线成长最为迅速的领域,成为硅力-KY今年营收一大支柱。

敦泰的触控IC继先前的亚马逊Echo之后,又成功打入LG智慧洗衣机、松下的智能电视、惠而浦烤箱及大陆新创企业小鱼在家的终端产品当中。

与此同时,随着家电产品对质量和技术的要求越来越高,智能、高效、节能成为家电的发展趋势,为满足这类高级系统设计要求,半导体器件也面临着更多更新的要求。

节能无疑是家电发展的主要方向,低功耗MCU正是迎合了这一需求趋势。对此,Silicon Labs微控制器产品市场总监

Greg Hodgson表示:“低能耗的MCU对于电池供电的家用电器来说越来越重要。具备超低功耗技术的产品可以使设计人员降低系统的待机功耗。

MCU在绿色家电中扮演的作用并不仅仅是降低自身能耗这么简单,更多是着眼于降低系统能耗。英飞凌科技汽车电子工业及多元化市场部高级经理王亦菁指出,家电领域的低功耗包括运行和待机功耗。相比手持设备,家电对于低功耗的要求并不是非常苛刻,其更关心的是如何在整个系统上实现节能,而非微控制器本身的功耗。

另外,相应的传感器、高效的功率器件以及安全芯片会作为安全的概念提供给智能家居的客户,在这样一个数据上升、数据下传的闭环过程中,危机其实是无处不在的,所以建立行业标准,确保数据安全就非常重要。

如何保证信息安全将成为未来家电大量实现智能化之后面临的挑战,相关企业应当未雨绸缪。“智能家居的发展会给现有家电带来新的机遇和挑战,但网络连接既增加了便利性,也带来了可能的安全隐患,同时,家电产品可能会引入一些操作系统,这是以往的家电所不曾有的。因此安全接入将是未来需要解决的一大问题。”英飞凌王亦菁表示。

“安全性在物联网的领域是非常重要的,当家里的设备都连上网络,虽然生活更加便捷,同时安全性的重要性愈发凸显。对安全性的考虑是Marvell非常重视的一个方向,在我们的协议里面也加上了多层安全协议相关的技术。”Marvell副总裁兼移动及物联网事业部总经理Philip Poulidis也表示。

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