芯动力无处不在的“芯”动力-爱华网

芯片技术从五六十年前发明至今，一直是创新的动力。展望未来，“大脑芯片”、“量子芯片”等前瞻技术将驱动新一轮商业进步，创建另一个新世界。

　　人脸识别渐行渐近

　　五年前，英特尔中国研究院的一个小团队“迷”上了热播电视剧《大长今》，他们给自己设立了一个很具挑战性的目标——把电视剧中男女主角一起出镜的镜头全部自动分析出来。

　　即使在今天，识别技术更多地是对“受控状态下”的图片，像证件照等进行分析。若要分析表情丰富、浓妆淡抹或是姿态变换的画面镜头是难上加难。

　　“我们渐渐发现最初设定的目标比较困难，于是在两年前调整了方向。” 英特尔中国研究院嵌入式应用研究实验室总监张益民博士对《IT经理世界》回忆说。最终，他们把目标定在比较实用的人脸检测、跟踪和识别上，同时也开展类似年龄、性别识别的有趣项目。

　　两年后，在第三方基准评测中，英特尔人脸检测算法的准确率排名第一，识别速度也是业界最快的之一。最近，在英特尔推出的感知计算SDK软件开发包中，张博士团队贡献的人脸分析算法与英特尔全球其他团队贡献的手势识别、语音识别等算法将一起被推向全球，张博士对此很自豪。

　　要想做出准确度高、速度快的人脸识别技术，难点是选取最优的特征和分类器组合。“这时候你要有打破常规的想法，比如别人最近都在用SVM（支持向量机），你不能跟风。有时候反其道行之，才能有突破性进展。”张博士说，“比如最近10年神经网络不太流行，但我们在某些地方用了，效果很好。”

　　SDK软件开发包推出后，在不久的将来，各种企业将利用这个开发包开发出有趣、有价值的应用。例如，这些算法可以作为增强现实应用的基础，识别跟踪人脸后，给他“戴上眼镜”，在线虚拟试眼镜；也可以虚拟美容、虚拟化妆。最近，三星智能手机上有一款应用，可以辨识出照片上某个人，并给这个人发短信；未来商务人士还可以佩戴一个特殊嵌入式设备，帮助他识别商务派对上走过来的人，在耳机中告诉他“这是某公司的王总”......张博士说，他们正在探讨以多种方式协助生态系统开发应用。

　　不过，张博士坦言，包括社交应用在内的很多基于人脸识别的应用才刚刚开始。现在实用的是拍照时的人脸检测、笑脸识别。由于人脸识别需要大量的机器交互学习过程，这是一个持续改进的过程。

　　张博士团队正在努力推进另一个项目是化身聊天技术。这是一种全新的聊天工具，通过人脸表情跟踪和动画等技术让聊天者之间能以虚拟形象进行实时视频通话和互动。

　　这个项目起源于三四年前英特尔研究院的另一个项目。当时一些研究人员正在参与类似“Second Life（第二生命）”的虚拟世界相关的研究项目，Second Life是美国一个非常受欢迎的电脑网络虚拟游戏。游戏中，人们生成自己的虚拟模型，在虚拟世界中用自己憧憬的方式生活。

　　两年前，当张博士团队的研发焦点转向嵌入式平台时，要在资源受限的嵌入式平台继续虚拟世界相关的项目是比较困难的，他们要调整最初的研究方向。“我们看到即使今天在3G网络上用Facetime视频聊天也比较困难，在带宽受限的情况下，我们想到了化身聊天技术。”他说。

　　这种全新、符合移动设备省电又省流量的沟通方式确实将即时通信推向新的阶段。“想想看，我们以前用文字、语音和视频聊天，但有了化身聊天技术，你的好友虽然是一个虚拟形象，但看上去栩栩如生，可以对你的话做出高兴、愤怒、厌恶、恐惧、悲伤和惊奇等自然反应，这种交流体验应该很有趣。”张博士说。

　　与人脸识别一样，这项技术要做到形象逼真、表情自然和实时互动，门槛也很高——它要自动跟踪人的细微表情，实时将这些表情变化细致地映射到动画上，而且又不能像电影那样对每一帧画面都用上好几个小时或者好几天去制作。

　　不过，张博士透露这个项目在他们内部进展顺利。“按我们目前的进度情况，会在一年内进入实用，而且将跨越从个人电脑到智能手机等不同平台。”张博士团队在开展跨平台项目中也一改原来基于个人电脑平台开发算法、然后修改移植到智能手机平台的做法，而是针对不同平台设计不同开发目标，并行推进，达到更好的产业化目标。

　　现在，张博士他们还在尝试物体识别。业界已经可以识别一张光盘封面、一幅画，但张博士团队要做更复杂的识别，例如对衣服、花朵进行识别，未来可以用到增强现实应用中。

　　“有了最基础的算法和框架后，未来可能我们会有更有趣的想法，另外我们也会把我们在人脸分析上的经验充分利用到物体识别领域，毕竟人脸分析和物体分析是可以相互借鉴的。” 张博士对记者说。

　　扩增实境还遥远吗？

　　5年前，高通总部研发部门的一队人马开始对全球所有从事扩增实境技术研发的团队展开调查，为之后的技术收购做准备。高通研发部门一直以通信标准和技术闻名，现在在新一轮业务拓展中，他们锁定了扩增实境技术。

　　扩增实境到底是什么？

　　在“谷歌眼镜”的宣传视频中我们看到这样的神奇场景：主人公起床后，视野中便出现当日日程安排；抬头望一眼天空，便显示出天气和气温；在马路上行走时，每到一处导航信息会自动浮现；到达地铁时，自动显示地铁停运信息；轻扫一眼某个店家就能完成签到和优惠信息接收……视频最后，主人公在美丽的夕阳下和一名朋友聊天，他们共享视野中美妙的画面。

　　“谷歌眼镜”呈现的美妙生活就基于“扩增实境”技术，它是把你看到的每一处真实环境都叠加上虚拟信息，并呈现在同一画面上。导航是一种比较早的扩增实境技术。导航设备通过GPS定位知道你在哪儿，获得“实境”，然后再把你周边的地图虚拟信息叠加上来，从而给你指路。

　　扩增实境虽然是业界巨头都向往的前景技术，但在5年前，人们还不敢想象在手机这样的移动平台上去实现它。但从事移动通信技术的高通，一开始就把研发目标定在移动平台上。而且，考虑到智能手机天生都有摄像头这个“眼睛”，高通选择了“基于视觉识别”的扩增实境技术路线，让手机去“看”去“识别”，在识别的基础上再叠加虚拟内容。不过，这条技术道路要比基于GPS定位系统的扩增实境要难得多。

　　“举个例子，你要去识别植物园里的树，即使在今天，技术上都还是非常困难的。”高通凌博士对《IT经理世界》介绍说，“技术上可能只能识别几种。这其中的难点是基本算法。”

　　认识到这一点，高通把原来隶属于扩增实境部门的计算机视觉（CV）基础算法研发团队分离出来，成立独立部门，专门开发物体检测、跟踪、识别的核心算法。凌博士就在这个部门。

　　最近高通推出一个软件开发包，名为FastCV，就是这个部门的研发成果。从字面上看，FastCV要实现快速识别，这是因为扩增实境要求识别是实时的。同时，若在移动平台上完成扩增实境，就要优化算法、降低运算量，毕竟手机的运算能力比PC要差一个数量级。

　　扩增实境还需要强劲的“芯”。既然手机资源有限，就要利用几乎所有能用上的资源。除了手机处理器的CPU外，还要尽量利用DSP（数字信号处理器）、GPU（图形处理器）等资源。特别是考虑到GPU并行处理的高级运算能力，高通目前把大部分FastCV算法放到骁龙处理器的GPU上完成。高通还在芯片中放入CV模块，甚至结合手机加速度计等传感器的运算信息，提高识别跟踪物体的速度。

　　两年前，高通在业界第一个推出了基于移动平台的扩增实境软件开发包，之后这个开发包不断升级，并扩展到支持安卓平台和iOS平台。最近，记者在视频中看到高通扩增实境新老版本开发包性能对比——转动一个茶杯垫，上面会叠加上一个茶杯，茶杯垫转快点，老版软件叠加的茶杯有时不见了，有时出现抖动，新版软件中叠加的茶杯就很稳定。这就有赖于物体识别、跟踪算法的改进。

　　去年，高通为自己的扩增实境开发平台买来一个好听的名字——Vuforia，意思是快乐的眼睛。在过去一年，业界基于它开发出的应用已超过1000款。

　　凌博士把这上千款应用大体分成三类，其中一类是游戏（Gaming and play）。他自己玩过的一个游戏是拳击比赛——两部手机的摄像头对准一张特定图片，手机上就会显示出一个拳击场和两个拳击手，每部手机控制一个拳击手，就可以打拳击比赛了。还有一类是教学和教育（instructional and education）。在去年高通举办的中国高校AR竞赛中第一名获奖者开发的应用就利用扩增实境来教孩子物体的三态转换。当摄像头对准图片，例如画了一块冰的图片，手机上显示出冰块，把一个画了一团火焰的图片放到冰的下面，冰块就融化了。另外一类应用是交互式媒体（interactive media），现在一些公司甚至球队已经用扩增实境技术策划超出想象力的互动广告。

　　不过，扩增实境技术在应用上仍然还处于一个尝试阶段。记者获知国内公司像腾讯、华为、联想等都已开发扩增实境应用，但还没有人挣到钱。“我个人认为，这是因为在全球还没有找到杀手级应用。” 凌博士说。

　　下一步，高通扩增实境技术研发方向一个是与云计算结合，一个是对三维物体的识别。这两个技术方向，让手机识别的东西更多、更快，那样，谷歌眼睛中描述的美妙场景离我们就会越来越近。

　　下一代无线互连

　　想象这样一个世界：家庭成员把自己喜欢的高清视频通过无线传送到不同房间，孩子在手机上把他最新制作的高清影片上传到YouTube，父母在平板电脑上浏览各类高清视频。随着基于802.11ac新标准的第五代无线局域网技术（Wi-Fi）推出，这样的数字家庭生活将成为现实。

　　“这个时代，使用者的习惯在改变，互联网视频更加流行。” 博通公司无线互连组合芯片事业部中国区总经理周晏逸先生对《IT经理世界》说。他们预计到2015年，91%的线上内容是视频，而且视频的使用量比现在增长四倍。除了内容的变化，使用者的设备选择也在改变。“未来55%的视频将不是在台式机、笔记本上观看的，而是通过机顶盒甚至游戏机发送到你的智能手机或者平板电脑上。”

　　消费内容和使用习惯的改变，推动着Wi-Fi无线技术快速演进。周先生还记得，10年前一位博通同事送给当时还在负责以太网业务的他一台Wi-Fi无线路由器，这是博通第一代Wi-Fi产品，基于业界第二代Wi-Fi标准（802.11b），理论最高速度仅为11Mbps。当年，电脑上以太网的速度正从百兆（100Mbps）进入千兆时代（Gbps），虽然相比之下，Wi-Fi无线技术有些慢，但周先生依然感受到无线技术带来的便利性。“我可以在客厅甚至离家不太远的地方联网。”Wi-Fi无线技术覆盖的半径可达100米，整栋办公楼都能覆盖，家庭自不用说。

　　自那之后，Wi-Fi无线技术经历快速升级：从最高速率达54Mbps的第三代技术（802.11g），演进到最高速率达450Mbps第四代技术（802.11n）。

　　2008年，业界早已着手研究第五代Wi-Fi无线技术（5G WiFi）。“为什么要研发5G WiFi呢？这是因为视频用量持续增加。”周先生说。不过，业界必须在5G WiFi设备上市之前解决一些重要、复杂的技术难题。

　　5G WiFi的一个标准技术是Beamforming（波束成形），这是个极复杂的技术，能够让Wi-Fi覆盖得更好，解决传输不到的死角问题。Beamforming是通过集成在芯片上的数字信号处理器来实现的。

　　除了覆盖问题，5G WiFi是第一个跨越千兆的Wi-Fi技术，理论最高速率可达1.3Gbps。

　　5G WiFi热点还让更多手机和移动互连设备上网，它的一个主要应用是家庭内高清视频的传输。“目前在基于博通芯片的家庭AP上，可以同时支持4个高清视频容量使用。”周先生举例。

　　5G WiFi设备的电池寿命也要更长。不过由于5G WiFi可以用更短的时间结束数据传输，之后进入空闲状态。平均下来，耗电仅为四代Wi-Fi的1/6。“这一点很关键，因为5G WiFi在平板电脑、智能手机上的使用量在不断增加。”

　　5G WiFi的另一个新特点是在5GHz频段上工作，以往四代Wi-Fi （802.11n）设备在2.4GHz频段工作，2.4GHz是个比较拥挤的频段。“你正在看视频，家中开个微波炉，视频立刻就出现了马赛克。”未来，用户在5GHz上不会受到干扰，体验会很好。

　　最近，工业和信息化部无线电管理局就5GHz频段无线接入系统频率等规划征求意见。这意味着相关频段的确定和发布已渐行渐近。不过，Wi-Fi芯片工作频段越高，制造工艺也越复杂。

　　目前，5G WiFi仍然面临很多难点。例如，波束成形从芯片实现到系统级别上的优化还需大量工作；在速率方面，目前使用的5G WiFi设备还与1.3 Gbps的理论峰值有一定差距，实际最高速率大概在800Mbps。影响5G WiFi速率的因素有多个，包括网络开销、干扰、拥挤和物理障碍、距离、同时连接的设备数量、路由器是否在兼容模式下运行等等，一些技术优化还有待业界突破。而且，5GHz频段的频率分配因国家和地理位置不同还有很大差别，这将增加向全球销售设备的生产复杂性。

　　但技术进步脚步仍然很快。明年第一季度，博通两款全新的应用于智能手机和平板电脑的无线接入组合芯片将量产。

　　“你听说过Wi-Fi direct吗？”周先生说，“这是点对点Wi-Fi技术，它甚至不需要一个AP（Wi-Fi热点），就可以实现平板电脑、智能手机、TV等设备之间的传输。”在周先生的展望中，未来主人公早上起床后把最新高清新闻视频放到智能手机中，下楼开启汽车后，智能手机上的内容经过Wi-Fi点对点技术，直接传输到汽车多媒体终端上，而Wi-Fi让高质量智能连接生活无处不在。

　　汽车的“芯”难题

　　今年7月，日本丰桥技术科学大学在横滨展示了一种电动汽车在行驶中充电的无线充电技术，司机未来在驾驶中不必惦记寻找充电站。

　　展台铺设着日本公路使用的10厘米厚混凝土砖块，下面藏有发射源。两个车用轮胎用电线连接，电线上还连着一个灯泡。当发射源功率上升到50瓦到60瓦时，电力穿过砖块传入汽车轮胎，灯泡被点亮了。“发射源功率必须达到展示模型的100倍才能给行驶中的电动车充电。” 该项目负责人说，“不过，这在技术上没有问题”。

　　在国内，奇瑞汽车前瞻技术科学院的实验室台架上也正在进行电动汽车无线充电试验。因为试验是高频高压的，大部分都通过遥控装置操控。“现在充电样机功率已接近1000瓦。”奇瑞汽车前瞻技术科学院方向性总工陈军博士对《IT经理世界》记者说，“要达到实用，样机功率要达到3000瓦以上，按照目前电动车配备的电池容量，将电池充满大概是8个小时，可以实用。”他们有望在两三年内实现这一目标。

　　电动汽车无线充电是这两年炙手可热的技术。从美国麻省理工大学到奥迪、丰田等车厂，再到德尔福、高通等一级供应商都在投资研发该技术。

　　如果这项技术产业化，未来在路上、在车库、在购物中心停车场......我们随时随地都能给汽车充电。这不仅是方便性问题，据说全中国汽车都换成电动车，以现在晚上回家集中充电的方式，会带来电网负荷不平衡、局部负荷紧张等诸多问题。灵活分散的无线充电方式，化解了冲击电网的问题。不仅如此，无线充电还可以大幅减少电池使用量，降低电动汽车的成本。“现在锂电池电动车售价一般在20万元左右，其中一半的成本是锂电池。”陈军博士说。如果电动汽车成本大幅降低，普及也会更容易些。

　　奇瑞前瞻技术科学院是在2008年下半年开始研发无线充电技术的。最初，研发小组的目标是小功率充电技术，只有几瓦，实现手机在汽车上的无线充电。现在，这个项目已经完成。之后，前瞻技术科学院又开展了“车内无线充电网络”研发——车里有一个发射源，可以给车内很多电子设备，像车载导航等无线传输能量。

　　2009年，奇瑞开始研发大功率无线充电技术，希望实现电动汽车的无线充电。目前是静态无线充电，充电距离大概是20厘米。“这个距离比较实用，因为车底盘距离地面一般在20厘米。”陈军博士说。

　　在电动汽车无线充电技术上，全世界的研发机构和车企都在比拼两件事——提高充电效率、降低电磁干扰。“充电效率在85%以上才可以商用化。”陈军博士说。目前大家做的样机，效率一般在90%左右。“电磁干扰也被提了出来，无线充电不能给人体带来伤害，不过现在能够看到的研究还不太多。”陈军博士说，“这是因为大家还是把主要精力放到技术实现上，现在技术还没有做好。”

　　要提升发射源功率，奇瑞前瞻技术科学院遇到的一个难题是芯片方案。“现在基本上没有专用芯片，我们的工程师要用一些分立器件、像MOS管子、大电容、电感去集成方案，这些器件既要是高压的，也要是高频的，选择性很小，而且非常贵。”陈军博士说。即使找到符合要求的高压高频的MOS管子，也不符合产业化要求，因为成本负担太重。陈军博士估计，充电装置如果产业化成本要控制在2000元左右，目前搭出来的系统要七八千元。

　　在半导体业界，英飞凌、IR能提供这样的高频高压器件，但没有人能提供完整、经济的方案。

　　不过，陈军博士认为，乐观估计，汽车无线充电商业化需要5年时间，这包括技术上的完善、用户接受过程和政府的许可和规划布局。

　　今年，令陈军博士印象最深的是他在一个车展上看到的日本无线充电概念车。“那是第一家以整车形式在车展上亮相的无线充电概念车，在此之前，企业的宣传不是视频展示就是充电装置展示。”他说。

　　目前，电动汽车无线充电有两种技术路线，一种是美国麻省理工大学马林·索尔贾希克团队创造的磁耦合谐振原理。德尔福就采用了这种技术路线。它的优点是容错性很好，发射源和接受源不用对得很准，也能正常充电。另一种是新西兰奥克兰大学电磁感应式无线供电技术，该技术的优点是传输效率比较高。该专利群已被美国高通收购。今年下半年，高通在伦敦与雷诺和电动汽车新兴企业英国Delta Motorsport启动无线充电验证试验。

　　记者了解到，目前国内车企中奇瑞是唯一一家投入一定规模研发团队来开展电动汽车无线充电的的车厂。不过，陈军博士没有透露该公司的技术路线。由于国内尚无标准组织，近期，奇瑞准备加入国外相关无线充电联盟，来加快研发进度。

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