净利润大涨76.22%！炬芯科技周正宇：\tAI驱动下的音频芯片创新

当下全球半导体产业依然处于低谷期但复苏在望，消费电子芯片和存储芯片率先开始回暖，三季度A股多家消费电子芯片公司业绩明显回升，尤其手机供应链公司业绩环比前两个季度恢复盈利重现增长。

炬芯科技在全球消费电子出货量不佳的情况下业绩率先回暖，三季度营业收入为1.57亿元，同比增长64.92%；归属于上市公司股东的净利润为2222万元，同比增长76.22%；扣除非经常性损益后的净利润为2059万元，同比增长136.44%。炬芯科技经营性收入猛增，主营业务盈利能力强。

图：来源炬芯科技2023年三季度业绩报告

在中国集成电路设计业2023年会(ICCAD)上，炬芯科技股份有限公司董事长兼CEO周正宇博士结合音频领域的发展趋势及AI时代热潮，分享便携式产品如何在AI时代打造高算力，发表主题演讲：《焕新声音活力：AI驱动下的音频芯片创新》。

周正宇博士，多数半导体公司第三季度业绩依然承压，归功于蓝牙耳机芯片，炬芯科技业绩提前复苏，营收净利润出现大幅增长。

低功耗高算力是便携式AI音频SoC基础

周正宇博士指出，AI时代，对于音频穿戴或者音频便携式产品而言，提升AI体验的挑战和机遇，是如何在每毫瓦功耗上打造尽可能大的算力，而不是简单追求大算力绝对值。以电池供电为基础的便携式音频或者穿戴产品，成功AI化的核心诉求是在低功耗下打造大算力，才能实现更好的AI体验。

以最典型的两种穿戴产品：TWS耳机和智能手表为例，基于4.2V的锂电池供电, 其使用的典型完整功能 SoC平均工作电流一般在3-5mA；也就是说, 便携式音频或穿戴产品核心SoC整体功耗总预算在15-20mW以下，在电池技术没有革命性变革的情况下，便携式音频或穿戴产品SoC应该以10mW或者以下的功耗预算来打造更大的AI算力。

于是在低功耗下打造音频产品算力的应用里，基于SRAM的CIM具有非常显著的技术优势包括：

1，能效比高，功耗低，读写速度快，适合低功耗高性能装置使用；

2，写次数没有限制，适用于模型反复调整的，基于自学习或者自适应的AI模型和算法，也便于需要经常切换模型的支持多种神经网络算法的自适应调节和分时处理；

3，工艺成熟，可大规模量产。标准CMOS工艺成熟，稳定，普适，所有的FAB都可大规模生产；

4，工艺领先，适合集成。容易采用最先进的工艺节点，方便在任何工艺节点实现单芯SoC 集成。

周正宇博士总结：针对低功耗的音频SoC，基于SRAM的CIM是目前打造低功耗音频AI算力的首选。

优势突出的MMSCIM

基于SRAM的CIM电路实现有两种主流的实现方法，一是基于纯模拟设计的电路实现，另一种是基于模数混合设计的电路实现。主要差异在于模拟CIM运算单元以ADC和模拟乘法器和加法器实现运算单元，而模数混合的CIM的运算单元则是使用custom-design的方式来融合存储单元和实现数字的逻辑运算单元。周正宇博士称，炬芯科技选择了基于模数混合电路的SRAM存内计算（Mixed-Mode SRAM based CIM，简称MMSCIM）的技术路径，它兼备模拟和数字电路各有的优势，当然设计的壁垒也相对高。

相对于模拟CIM的设计思路，MMSCIM有几个明显的好处：

1，精度是无损的，模拟是会受电路的噪声和环境因素的干扰，每一次计算出来的结果并不完全一致，精度有损失。

2，数字实现运算单元具有高可靠性和高量产一致性，这是数字化天生的优势。

3，易于工艺升级和不同FAB间的设计转换。

4，容易提升速度，进行性能/功耗/面积(PPA)的优化。

5，资料的读取与计算在SRAM 内部是同步的，能效比更高。

6，自适应模型的稀疏性易基于此提升能效比。

MMSCIM基于已经实现的Testchip测试和估算结果，在22nm工艺下能效比能达到7.8TOPS/W，接近使用7nm先进工艺实现的传统架构NPU；MMSCIM预计在16nm下能效比能达到15.6TOPS/W，高于7nm先进工艺下传统架构的NPU。但10mW以下的功耗下依然不足以打造出200-500GOPS算力的需求，所以技术上还需要继续创新。

周正宇博士提出, 利用AI矩阵计算的稀疏性提升能效比将是一个重要突破口。音频算法的AI模型大部分具有矩阵稀疏性的特性，也就是有许多模型参数为零，遇到零可以不做运算，以便节省功耗。传统NPU可以通过特殊逻辑电路设计来执行Skip-Zero技巧以降低功耗。然而, 这种Skip-Zero的逻辑电路对于一维AI算子相对容易实现, 但面临2D算子则实现挑战较大, 而且需要付出额外逻辑电路成本和功耗的代价，使得Skip Zero所提升的能效比有所打折。

而MMSCIM却拥有天生的自适应稀疏矩阵的特性，乘法运算单元遇到输入零则不耗电，无论1D或2D的算子，都能无需附加逻辑电路的帮助自然达成Skip-Zero的效果，使得MMSCIM技术浑然天成达到更好的能效比。