用户界面 - 信息娱乐系统的下一个战场

作者：Spansion公司可编程系统解决方案部门营销与业务发展副总裁Alvin Wong

信息娱乐系统的下一个战场将转向用户界面(UI)技术。消费者在作出购买决策时不再是比较功能集方面的微小差异，而是越来越多地考虑易用性和特色功能。为了赶上下一代产品周期，系统设计师在开发无缺陷工作的UI方面正面临着越来越大的压力。用户界面技术的发展最终将走向语音识别和其它更复杂的UI。随着这种趋势的演进，消费者在今后几年内将有机会体验到许多新颖的、令人激动的创新技术。在UI技术普及的下一个阶段，不再要求做用户培训，而是采用先进UI的设备需要去适应消费者需求，实现“开箱”即可使用。为了达到这个目标，设备要求变得更加智能，因而需要更强大的处理能力以及更多的内存资源。

在系统设计方面，增加系统智能将提高对额外处理能力和内存的要求，因为不仅要诊断系统或作出预测，而且要实现系统需要做出的复杂响应。预测智能的复杂性需要的处理能力和内存资源比目前嵌入式系统能提供的要多得多。随着这些嵌入式系统承载更多的UI功能，这个问题正变得越来越具有挑战性，鉴于嵌入式系统有限的资源特性，处理能力和内存资源更加捉襟见肘。增加更多的处理能力对嵌入式系统来说更具挑战性，因为更高性能意味着系统需要更多的功耗。这是直接关系到电池寿命的一个约束条件，也是与足够功耗有关的昂贵设计约束，最终将影响到用户体验。

使用云

近年来，云计算已经成为技术领域中的一种流行趋势。随着更多的应用转向云处理，OEM厂商面临的一个重要挑战是判断在哪里实现智能处理。借助包括不管是高速以太网还是3G/4G蜂窝网络在内的几乎无处不在的连接，电子行业中的板载功能和基于云的功能之间的界限正在变得越来越模糊。对许多应用来说，云计算基于众多的原因而具有很大的吸引力，特别是针对嵌入式设备。一个关键的驱动因素是总体拥有成本：不需要在每台设备上集成额外的计算和存储资源而增加设备成本，而是通过网络实现集中的处理功能和内存。这种方法允许公司在多项应用中发挥他们的技术投资力量。然而，在某些应用中这种选择也会带来折衷结果，因为公司需要在成本和性能之间权衡。

在汽车信息娱乐领域中，云计算部分用于支持先进的语音识别功能，但这个功能通常对性能会有影响。云计算技术的优势在于它能提供更高的精度(更先进的分析技术和功能，比如代理辅助)。如果某个特殊语句由于口音或外部噪声原因不能被识别，可以将它转送到运营商那里作进一步评估。对于诸如自然语言理解(NLU)等要求更多资源来实现的应用，可以使用云计算各种复杂算法以提高精度。然而，使用云对性能的影响主要与延时有关。

由于云技术需要依赖网络连接(在汽车应用场合是移动电话)，蜂窝连接由于固有的蜂窝覆盖特性将成为性能瓶颈。举例来说，如果蜂窝电话的连接信号很微弱，或者汽车或用户根本就没有蜂窝电话调制解调器，许多车辆的基本UI功能可能会受到不利影响，或看起来完全没有价值。另外，传送数据的IP网络可能会发生丢包，从而导致不可靠的响应。同样，这种方法常常会导致用户界面响应发生可觉察的延迟。对UI来说，将在延时、精度和可用性方面导致不一致的结果。

信息娱乐系统OEM厂商面临的挑战是要在两种需求之间取得平衡，一种需求是支持主要使用每个车载设备中的嵌入式资源的“车载”应用；另一种需求是驾驶员与车外世界的交互。一方面，有许多对车辆及驾驶员的操控和安全性来说永远重要的功能，例如音量控制、多媒体功能或移动电话接入。另一方面，消费者对访问地图或社交网络资源一直保持着很高的要求。因此，许多OEM厂商采用混合方法，即将板载处理资源专用于关键的车载功能，并根据需要将云计算技术用于较少使用的和高级的功能。这种方法允许OEM厂商推出既有高性能又有合理价格的系统。

UI处理器

嵌入式系统越来越多地要求高性能的处理能力。这在汽车信息娱乐领域中更加突出，而OEM厂商之间的竞争也在推动高级计算功能的创新和推广，以便支持多内核架构和3D图形功能。与此同时，汽车环境中的多种其它功能继续在竞争可用的计算资源。这个负担主要集中在作为主要计算引擎的应用处理器上，而3D图形和先进通信协议等众多功能也进一步加重了应用处理器的负担。因此，这些嵌入式系统只有很有限的资源可用于其它功能。

在信息娱乐系统资源有限的固有特性及其对关键功能的影响方面，用户界面是一个很好例子。比如，高级语音识别同时要求高MIPS和快速内存访问。尽管系统设计师一直在努力开发高度优化的信息娱乐系统，以使它们能够支持多种先进功能和一流的UI，但仍然受到可用技术的限制，特别是能够满足设计要求的硬件。UI越来越多地要求访问先进的查找表和算法，从而造成与其它系统功能的直接竞争。最终，在通用处理器上执行多种识别算法的要求仍然影响到了这些系统的低功耗要求。即使高级应用处理器正在从单内核技术快速转向高端信息娱乐系统用的双内核和四内核技术，但我们认为UI仍将是一个计算密集型功能，要求独立的硬件加速器和灵活的软件算法。

随着信息娱乐系统的OEM厂商继续集成先进的人机界面(HMI)功能，如触摸和语音识别功能，UI功能仍将是一个关键的系统瓶颈。在OEM厂商必须解决的UI瓶颈和设计挑战之间，还需要能够处理复杂的软件算法；能够在各种高噪声环境中(如狭窄的车舱内)准确工作；能够支持针对数据安全和访问付费内容时的隐私要求；能够防止设备遭到恶意攻击，并支持与定位服务和广告进行实时车外交互。随着这些系统中引入更多形式的UI，下一代系统将面临在同一系统中实现多种识别形式——语言、话音、图像、面部特征等额外挑战(见图1)。单种UI技术的实时要求在继续影响应用处理器的可靠工作，引入额外UI只会恶化这个问题，因为这些新增加的功能将进一步竞争共享资源。


图1：单一功能的IC将迅速发展成专用的UI处理器，以便实现并从应用处理器卸载多种形式的识别处理功能。

将来，为了达到高级UI处理要求的性能、精度和功效水平，系统将需要一种独立的“UI处理器”，本质上，这种处理器被用作协处理器。这种器件将集成专用的硬件加速器，这些加速器执行基本和高级UI功能的速度要比通用处理器快得多。另外，这些处理器将集成有足够多的内存资源，还有专用于提高查找表性能的算术逻辑单元(ALU)。我们相信这些UI处理器是极其高效的，能够更快地处理高级UI功能，延时会更短，并且与使用通用应用处理器的传统实现方法相比功耗更低。UI处理器的其它潜在应用包括与用户的交互，使UI更容易操作，并提供系统睡眠模式以节省功耗。虽然目前系统设计师必须在平衡精度和延时之间作出选择，但专用UI处理器允许开发人员进一步优化他们的系统，使其工作更加高效。

使用专用协处理器服务新兴功能的概念并不是最近才出现。诸如图形、加密、数字信号处理、高速通信等许多技术，都是利用专门的硬件从主处理器卸载处理任务，并且随着技术的不断成熟，实现性价比越来越高(图2)。为了满足下一代用户界面的严格要求，UI处理器将提供各种基于硬件的语音和图像处理加速器，并且这些加速器是专门针对这类计算密集型任务设计的。当然，随着这些UI技术的成熟和稳定，它们最终将被集成进通用处理器架构，就像图形(图3)、加密、数字信号处理和通信处理技术一样。不过，实现这个目标可能还要好几年的时间。到那时，OEM厂商将需要依赖于UI处理器才能跟得上前沿用户界面技术的快速发展步伐。


图2：随着技术的不断成熟并且变得更加复杂，许多功能将集成到硬件中，用以改善性能和成本，并使满足最终用户体验。


图3：随着时间的推移，图形处理技术从软件驱动型解决方案发展到了嵌入式专用硬件加速器。

UI处理器之星正在冉冉升起。自我智能和预测智能所要求的许多基础目前已经奠定，而且随着技术的发展，将出现多种形式的专用UI器件。尽管这些器件的架构非常重要，但知识产权和集成度将决定市场领先地位。随着易用性继续推动产品的差异化，UI技术的复杂性将越来越高。借助商用化的UI处理器，OEM厂商将能够推出先进的UI功能，如语音识别和面部识别，从而提供更大的易用性，占有更多的市场份额。另外，通过使用自我智能和预测智能，OEM厂商能以最具性价比的方式提供高精度、高可靠性和低延时性能。