時間倒退至 4 年前，國內上演「百箱大戰」的焦點剛剛開始從智能音箱產品本身，轉移到 AI 和支持 AI 運行的芯片平臺。

2017 年 11 月，杭州國芯在深圳舉辦了一場物聯網 AI 芯片的發布會，推出了適合音箱、家電、玩具、車載等 AI 產品的 GX8010 物聯網人工智能芯片，支持本地離線神經網絡計算，具備低功耗、低成本的優勢，在國內較早地開啟了「AI 賦能之路」。

國芯已經有 20 年的歷史，是國內最早一批成立的芯片公司，是全球機頂盒芯片的頂級供應商之一，也是 AI 芯片的新興企業。

經過了 4 年的發展，國芯的 AI 芯片已經植入到很多家居和家電產品，并從家庭延伸到了車內場景。

△ 家庭場景、車載場景，GX8010 的落地案例

而今天，2020 年 7 月 21 日，國芯在杭州召開了發布會，發布了首款超低功耗的應用在可穿戴領域的 AI 芯片，在極小體積的芯片上，實現了語音喚醒、指令識別、AI 降噪、模式識別等功能，開啟了全新的基于「人-車-家」全場景的落地之路。

△ 實現「人-車-家」AI 全場景覆蓋 / 杭州國芯 CEO 黃智杰

國芯在過去 4 年，見證了人工智能領域的飛速發展，見證了人工智能的產品形態演變。人工智能并不需要機器人一般龐大的軀殼，智能音箱就能解決很多問題。

而 2018 年蘋果 AirPods 二代的推出，更是將耳機變成了隨身的語音助手，不需要多大的體積，讓 AI 可以跟著人走。

國芯認為，人工智能產品的形態未來還會演變，而國芯的思考，則是如何讓產品端更便捷地接入到 AI 大腦，即「喚醒」功能的實現。

△ AirPods 二代、小米 Air 2S、vivo TWS Neo 等支持語音喚醒的 TWS 產品

過去，在智能音箱、家居、車載等領域，喚醒的體驗已經相當成熟，但在可穿戴產品上卻仍然面臨著體積、功耗等挑戰。而如今，國芯通過 GX8002 來解決了這些問題。

這是一顆集成度高的芯片

國芯 GX8002 是一顆超低功耗 AI 語音喚醒芯片，具備功耗低、體積小、成本低的優勢。

△ 智慧穿戴，從芯啟航 / 杭州國芯 AI 事業部總經理 凌云

從芯片的架構上來看，它的規格并不復雜，設計卻很精巧。下圖中的綠色部分的 VAD 模塊，為國芯自研的高性能語音活動檢測器，負責判斷是否有人說話。

當麥克風檢測到有人說話時，則啟動 NPU 神經網絡處理器。gxNPU V200 是國芯自研的第二代 NPU，支持 DNN/CNN/RNN 等。

而 MCU 則采用的是平頭哥 CK804 處理器。與 Arm M4 處理器相當，平頭哥 CK804 是一款輕量級的 32bit 低功耗 MCU，集成了 DSP 與浮點運算單元。

△ 國芯 GX8002 芯片架構

國芯 GX8002 可接入豐富的外設，除了藍牙主控芯片外，還支持模擬麥克風、數字麥克風、以及當下流行的骨傳導麥克風。

值得一提的是，國芯 GX8002 將過去外置的晶振也集成到了芯片里，從而節省了 PCB 的面積，進而節省了成本。

△ 國芯 GX8002 芯片實拍圖

同時封裝進芯片的還有 208KB SRAM 和 256KB/512KB Flash。

這是一顆超低功耗的芯片

在可穿戴設備里做語音喚醒，面臨的主要挑戰就是功耗。

對比過去用于智能音箱的傳統智能語音芯片，其功耗為 1000mW；集成 DSP 的智能家居芯片，其功耗為 100mW；而即便是最小單元的數字麥克風，功耗也要 1mW。

△ 傳統語音芯片功耗

國芯 GX8002 將語音喚醒的功耗帶入了「微瓦」時代。

在 VAD 待機情況下，功耗可以低至 70uW；在 VAD 檢測到人聲，進行喚醒識別的工作狀態下，功耗為 0.6mW，甚至低于一顆數字麥克風的功耗。

△ 國芯 GX8002 典型應用功耗

而在日常的使用中，平均 70% 為 VAD 的工作模式下，國芯 GX8002 的平均功耗小于 300uW。三種狀態相對應的電流數據分別為：20uA、180uA、90uA。

△ 低功耗演示：1.8V/0.85V 供電，使用模擬麥克風，國芯 GX8002 在待機/短指令喚醒的切換中，實時功耗的數據

* 注：演示視頻中是兩路供電，功耗需要相加。

超低功耗 AI 語音喚醒背后的技術支撐

實現超低功耗 AI 語音喚醒，背后有兩個模塊的支撐，其一是 NPU，其二是 VAD。

在極小體積的芯片上進行語音喚醒、指令識別、AI 降噪、模式識別等運算，國芯第二代 NPU 較初代有了很多改進。

它可以實現更高的指令效率和計算效率，更好網絡量化壓縮能力，支持 DNN/CNN/LSTM 等主流神經網絡計算，能效比是普通DSP的十倍以上。同時，它是一個完全可編程的結構，具有統一的工具鏈，可以無縫對接 TensorFlow 等訓練平臺。

△ 國芯第二代 gxNPU V200 神經網絡處理器

VAD 的性能直接決定了這顆芯片的工作狀態。

傳統 VAD 基于能量做判斷，人聲高一些 VAD 就會被激活，反之則待機。當處于地鐵車廂、公交車站等背景嘈雜的環境中時，人聲淹沒在環境噪音中，傳統 VAD 常常就會失效。

國芯自研的 VAD 則通過多維度的特征分析和判斷機制，輔之以自動調節閾值的策略，再通過聲學計算，即便在復雜的環境噪音中，也能準確地判斷出人聲。

同時，國芯在 VAD 上運行的算法已經固化到了硬件上，不依賴于 CPU，因此進一步地節省了功耗。

△ 國芯自研 VAD 對人聲的判斷

在辦公室、地鐵、公交車、咖啡館、馬路邊等日常佩戴 TWS 耳機的環境中，國芯的實測數據顯示，設備日常使用 VAD 的待機比例大部分情況下，是大于 70% 的。

只有在咖啡館等環境人聲非常復雜的環境，VAD 只有一半的時間在待機，而另外一半的工作時間，VAD 在對背景噪音做實時判斷和過濾，對于那些不符合喚醒標準的聲音，則不啟動 NPU。

這也就意味著，在日常隨行的場景下，設備約70%的時間處在最低功耗的70uW待機模式，而傳統 VAD 一旦失效會讓整個芯片都需要全速計算，計算功耗可想而知。

△ 國芯團隊 VAD 實測數據

在低功耗的支持下，對于只配備一塊 60mAh 紐扣電池的設備來說，它的待機時間可以長達 27 天。如果配置 2000mAh 的 18650 鋰電池，使用國芯 GX8002 做喚醒，其待機更是能持續 925 天。

這里需要指出的是，國芯 GX8002 還支持骨傳導傳感器，增加骨傳導傳感器可用于 OVVP（Own Voice Vibration Pick-up）校驗，一方面實現更準確的 VAD，另一方面更可以判斷喚醒設備的是本人說話還是環境音，這樣再也不用擔心別人喊一聲把自己的設備喚醒的尷尬。

超低功耗 AI 語音喚醒的應用

國芯 GX8002 將 AI 語音喚醒帶入了微瓦時代，從而為可穿戴設備打開了更大的應用空間。三大主要應用領域總結為：

1. 語音喚醒，實現大于 95% 的綜合喚醒率和小于每天 1 次的誤喚醒率；

2. 離線指令，支持 20 條自定義的快捷指令，如接聽電話、播放控制等；

3. AI 通話降噪，如基于單麥/雙?/?傳導 AI 通話降噪。

考慮到可穿戴設備的體積小，國芯不僅在芯片上集成了很多過去需要外設的器件，同時在封裝上也為設備商提供了諸多便利。

國芯 GX8002 首推 3x3 的 QFN20 的封裝，便于生產和貼裝。國芯還計劃在今年第三季度，推出更小、更緊密的 1.4x2.4 規格的 WLCSP 封裝，適合更精密的設備。

如何在可穿戴設備上集成 GX8002 這顆芯片呢？

國芯 GX8002 與藍牙主控芯片搭配使用，就如同為藍牙芯片增加了一個語音開關按鍵，通過共用的麥克風，實現語音觸發。

這就極大地方便了那些使用成熟藍牙方案的設備商，在不改變原有芯片設計的情況下，花上半天到一天的調試時間，輕松、靈活地通過疊加 AI 芯片的方式，將藍牙耳機升級為智能耳機，為設備增加賣點。

△ 國芯 GX8002 典型應用框圖：模擬/數字?直連 - 內置 Flash - 內置晶振 - I2C/串口通訊

可穿戴設備為什么需要智能語音？

近年來，隨著 TWS 耳機的橫空出世，可穿戴設備再一次成為市場的焦點、熱點。

△ IDC 可穿戴數據 / 杭州國芯 AI 事業部副總經理 陳滬東

毋庸置疑，TWS 耳機成為智能音箱后的下一個入口。而在隨身場景，具備語音 AI 功能的 TWS 耳機，將成為手機之外更適合語音助手的載體。

對于手機廠商而言，耳機上的 AI 語音喚醒一來可以提高語音助手的應用頻次，降低息屏喚醒的功耗。二來可以為手機中眾多 app 提供便捷的語音調用入口，并結合 app 的內容實現智能的語音點播，從而極大地提升用戶的使用體驗。

而對耳機設備商而言，無論是品牌耳機還是白牌耳機，打通語音 AI 的硬件和軟件，為用戶提供更豐富的功能，也是未來的趨勢。

△ vivo X50 Pro + vivo TWS Neo 語音喚醒

國芯敏銳地發現了「AI + 智能穿戴」的市場機會，以最快的速度推出了一顆專用 AI 語音芯片，相比市面上單芯片和外掛 DSP 的方式，它能更好地平衡設備的功耗、成本與性能。

為了更好地服務設備商，國芯還整合了包括技術、云端平臺、算法、藍牙芯片在內的諸多合作伙伴資源，共同為 TWS 耳機、智能眼鏡、智能手表、以及帶有離線功能控制的其他可穿戴設備賦能。

灣里小結

國芯 GX8002 超低功耗可穿戴芯片，雖小卻并不簡單，它繼承了國芯在語音 AI 芯片領域多年的經驗，并實現了很多跨領域技術的突破，包括音頻信號處理、語音喚醒算法、 NPU 異構計算、多級喚醒、VAD 技術。

為了方便設備商的快速集成，國芯還在這顆芯片上做了低功耗 ADC、電源管理、無晶振設計，同時采用了低壓工藝和立體 SIP 封裝，把閃存和內存都封裝了進去。

同時，它還很好地平衡了功耗與性能。每顆 0.65 美金起（按累計采購量階梯優惠）的價格，更為這顆芯片在手機廠商和可穿戴設備商的應用推廣，提供了成本保障。

過去因為功耗等原因不敢想、不敢做的事情，如今都不成問題了。在可穿戴設備領域，國芯將助力設備商，打開一個新的世界。

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主筆：陳壹零 / 深圳灣

編輯：陳達達 / 深圳灣