使用恩智浦处理器应对AI智能眼镜低功耗设计挑战

随着AI与智能硬件的不断融合，AI智能眼镜已经不再是科幻作品中的产物，而是真正走进了大众生活。如今，市场上涌现出形态各异、功能丰富的AI眼镜新品，覆盖了从随身助理到健康管理的多元应用场景。操作的便捷性成为AI眼镜的一大亮点：用户无需频繁掏出手机，便可以流畅实现提词、拍摄、物体识别、实时翻译、导航、健康监测、支付等操作，其无限的应用可能性被喻为“承载人机交互应用的极佳载体”。

AI眼镜的电力挑战

AI眼镜面临的主要挑战在于电池续航能力。受限于设备本身的重量，AI眼镜所配备的电池容量通常仅为200~300mAh。

为了支持多样化的应用场景，相关高性能应用处理器多采用6nm及以下的先进工艺节点。虽然该制程下的芯片具备卓越的动态运行性能，但同时带来了严重的漏电问题——随着工艺节点的微缩，芯片的漏电流呈数十倍增长。高漏电流与有限电池容量之间的矛盾显著缩短了产品的实际使用时间，对用户体验构成负面影响。

AI眼镜的主流架构

当前市面上的AI眼镜解决方案主要采用两种主流架构——

01"应用处理器+协处理器”架构

“应用处理器+协处理器”方案能够给用户带来更丰富的功能体验。应用处理器基于先进工艺制程，芯片偏重于高性能，通常支持高分辨率摄像头、视频编码、高性能的神经网络处理单元，Wi-Fi和蓝牙通信。

协处理器通常采用成熟工艺技术芯片，芯片通常使用长通道晶体管和短通道晶体管结合，芯片侧重常开模式下低主频运行功耗和静态功耗。协处理器通常具有完整的音频接口和相当的音频处理能力，可以支持语音唤醒，语音通话和音乐播放。图像处理器GPU和显示接口可以支持矢量文字，图片的绘制，内置的AI运算处理单元还可以加速语音识别，降噪等音频算法。

“应用处理器+协处理器”架构框图

02“低功耗处理器” 主控架构

“低功耗处理器” 主控方案更加注重眼镜重量、佩戴的舒适性和使用时长。重量是眼镜用户体验最核心的因素之一。低功耗处理器作为AI眼镜的主控制器可以更大规模减少外围电源器件的数量和电池体积，从而可以使眼镜重量控制在30g以内。

低功耗处理器主控架构框图

i.MX RT：突破架构创新和电池续航瓶颈

i.MX RT500、i.MX RT600和i.MX RT700是恩智浦i.MX RT低功耗产品系列的三款芯片。这些芯片作为协处理器，目前被广泛应用于全球多家客户的创新AI眼镜设计中。

i.MX RT500Fusion F1 DSP可以支持智能眼镜的语音唤醒，音乐播放和通话功能。同时, 图形处理器和显示接口最大可以支持VGA分辨率的图像显示。i.MX RT600主要作为智能眼镜的音频协处理器，最大主频600MHz的HiFi4处理器可以支持绝大多数的降噪，波束成形及唤醒算法。

i.MX RT500、i.MX RT600在芯片设计层面应用了多项低功耗技术，如I3C总线、动态电压调节、低静态功耗SRAM、工艺-电压-温度传感器、低功耗时钟源、时钟，电源域开关等。

i.MX RT700是i.MX RT系列的最新一代产品，采用双DSP（HiFi4/HiFi1）架构，支持多种复杂度的算法处理。其2.5D GPU显示控制器和MIPIDSI接口可以支持最大720P、每秒60帧图形显示。同时，i.MX RT700配备了Neutron神经网络加速单元，结合eIQ软件开发环境，能快速部署机器学习应用，极大简化客户开发流程。

i.MX RT700在低功耗设计方面实现了进一步优化，其动态功耗相比i.MX RT600降低了45%，而静态功耗仅为i.MX RT600的20%。i.MX RT700通过“精细化分区设计”实现功耗优化，片上系统分成了主计算区域（main compute domain）、传感器计算区域（sense compute domain）、媒体区域（media domain）、 电源控制区域、共享区域、DSP区域及常开区域（Always-on domain）。这些区域均可通过电源开关实现独立的开启与关闭，部分区域还可根据运算频率的变化动态调节电压，实现性能与能耗的最优平衡。

AI眼镜省电秘诀：基于应用场景切换模式

作为AI眼镜中的协处理器，i.MX RT700能够基于不同的应用场景，通过灵活配置电源管理和时钟域，实现角色切换：既可作为高性能多媒体数据处理的AI计算单元，也可在超低功耗状态下，作为语音输入传感器枢纽（Sensor Hub）进行数据处理。

智能眼镜主要依赖语音控制实现用户交互，因此语音唤醒是使用时间最长的场景，也是决定AI眼镜电池寿命的关键。在主流方案中，协处理器需要保持激活状态以确保接收用户的语音命令，而在嘈杂环境下进行语音识别还需要降噪算法的参与。

基于此用户场景，i.MX RT700可以被配置为传感器模式，此时只有HiFi1 DSP、DMA、MICFIL、SRAM、电源控制 （PMC）等少数模块处于活动状态，MICFIL用于麦克风信号的采集，DMA用于麦克风信号的搬运，HiFi1 用于号的降噪和唤醒算法执行，其他芯片的内部模块都处于掉电状态。

i.MX RT700传感器枢纽模式

另外，除了传感器模式的应用，低功耗无失真音频时钟源FRO, 麦克风模块的FIFO和硬件语音检测（Hardware VAD），DMA唤醒等低功耗技术也保证i.MX RT700语音唤醒场景的系统功耗可以低至1.91 mW，在持续监听的同时最大限度节省电量。

对于视频显示的用户场景，i.MX RT700可以配置为“高性能模式”。在此模式下，矢量图形加速器GPU, 显示控制器（LCDIF），显示总线MIPIDSI及显示缓存xSPI2都会使能。i.MX RT700的各个外设处于高频运行模式。在“高性能模式”下，i.MX RT700也支持MIPI ULPS (Ultra Low Power State)，动态电压调节等低功耗技术。

i.MX RT700高性能图像渲染模式

i.MX RT700用到的低功耗技术还包括状态保持（State Retention Power Gated），开关电容电压转化模块（Switched Capacitor Power Converter）, 聚合电源管理（Aggregated Power Management）等等。

作为AI/AR眼镜的电源管理方案，PMIC也发挥着很重要的作用。PMIC不仅可为MCU和各种外设提供电源，其所集成的DVS功能可以配合MCU实现各种复杂的高/低频率以及高/低功耗工作模式，以保证系统的整体功耗最优，电池续航时间最长。

作为i.MX RT500/600的电源方案，PCA9420拥有315mA的电池充电能力，以及两路buck和两路LDO，可实现对i.MX RT500/600的电源轨全覆盖。

作为i.MX RT700的电源方案，PCA9422拥有640mA电池充电能力，基于软件的电量计FLEXGAUGE，三路buck输出，四路LDO输出，以及一个buck-boost输出，不但能够覆盖i.MX RT700的电源轨需求，还能轻松驾驭各种外设的电源需求，提供一个整体的电源管理方案。

随着智能硬件与人工智能的不断融合，选择合适的低功耗高性能芯片成为产品创新的关键。i.MX RT系列凭借其深厚的技术积累，为AI眼镜等前沿应用提供了坚实的基础。

恩智浦还提供大量低功耗，音视频多媒体，人工智能等应用文档供开发者参考。

本文作者

尔宾，恩智浦边缘处理事业部MCU应用技术经理，毕业于北京工业大学，获通信工程学士学位、电路与系统硕士学位，于2008年加入恩智浦半导体公司后，专注于IIoT低功耗微控制器产品的应用开发和产品支持。