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網路邊緣之嵌入式視覺處理:Crosslink-NX
 

【作者: 萊迪思】   2020年05月19日 星期二

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網路邊緣正迅速成為AI處理未來發展至關重要的一部分。隨著5G將數十億設備連接至網路上,互連性將變得更加普遍。市場對應用人工智慧和機器學習(AI/ML)的興趣不斷增長,對於在網路邊緣運行且具備AI/ML處理功能的低功耗高科技設備的需求也十分龐大。在網路邊緣運行的高階處理能夠大幅降低終端和終端使用者的延遲,更好地保護使用者隱私。此外,網路邊緣智慧裝置能對發送到雲端的數據進行篩選,從而降低網路成本和頻寬要求。


這些網路邊緣智慧設備大多使用圖像感測器來支援各類嵌入式視覺應用,包括物件計算和存在偵測等基於AI/ML 的應用。然而,在網路邊緣上支援嵌入式視覺應用,要求設備具備特定設計和效能特徵,例如:低功耗、高效能、高可靠性和小尺寸。針對這類應用,萊迪思推出全新CrossLink-NX系列FPGA。新的晶片旨在滿足影片處理的最新趨勢,包括:混用多個感測器和顯示器、高解析度的影片、多個介面以及網路邊緣AI處理等。


CrossLink遇見Nexus

為協助研發人員支援全新及現有的嵌入式視覺系統,萊迪思打造出CrossLinkPlus這款專業化、小尺寸、低功耗FPGA產品系列。



圖一 : CrossLinkPlus 與 CrossLink-NX 比較(source:萊迪思)
圖一 : CrossLinkPlus 與 CrossLink-NX 比較(source:萊迪思)

CrossLinkPlus不僅具有可程式化邏輯以滿足處理需求,更支援各類介面標準,是網路邊緣應用中,影片訊號聚合和圖像協同處理的絕佳選擇。CrossLinkPlus FPGA採用40 nm bulk CMOS製程製造。


針對需要更高效能的嵌入式視覺系統,萊迪思發布了CrossLink-NX系列 FPGA。為基於萊迪思全新FPGA技術平台Lattice Nexus的首款FPGA,也是採用28 nm完全空乏型矽絕緣層金氧半電晶體(FD-SOI)製程的主流低功耗FPGA平台。


藉由28 nm FD-SOI製程以及針對低功耗、小型封裝進行優化的全新FPGA架構,CrossLink-NX擴展了CrossLink FPGA系列的功能。CrossLink-NX提供更低功耗、更小封裝、更高效能、高度可靠性以及易於使用的全新工具,為研發人員提供優異的影片和感測器處理的創新選擇。


Crosslink-NX 的應用市場:汽車、行動裝置、工業等

Crosslink-NX系列產品非常靈活,可以滿足影片切換和圖像處理領域中多個細分市場的需求。這些領域的應用大多需要支援在多個顯示器、攝影鏡頭,以及如圖像感測器等的感測器之間的橋接和/或聚合數據流。


此外,這些元件可用於即時影片處理和AI/ML推理。由於FPGA具有較高的能源效率,因此它們不僅可被用於電池供電的行動裝置中,更能在運算和工業控制應用中,提供足夠的強大效能。



圖二 : 嵌入式視覺的發展趨勢 (source:萊迪思)
圖二 : 嵌入式視覺的發展趨勢 (source:萊迪思)

在視訊監控和安全防護應用中,CrossLink-NX可以實現AI推理,透過如人臉辨識或存在偵測等功能,以預先處理感測器數據。此外,它還可以用於感測器聚合和橋接。


此款晶片可被作為嵌入式視覺協同處理器,以合併多達14個感測器。它還可以用於影片縮放、旋轉和色彩空間轉換。使用該晶片可將一個感測器數據流發送到多個位置,在汽車應用中非常實用,因攝影鏡頭常常需要向多個處理單元提供數據。


在此篇白皮書的以下各個章節中,將比較CrossLink-NX與具有相似邏輯單元密度和I/O支援的同類FPGA產品。下列為萊迪思提供的效能和功耗比較測試。


高效能Crosslink-NX實現網路邊緣AI

AI處理通常被認為需要在雲端完成,然而在網路邊緣實現設備端的AI功能越來越重要,以確保更好的使用者隱私、減少上傳到雲端的數據量,以及降低數據延遲,縮短裝置回應時間。


對於硬體開發人員而言,有多種因素導致實現網路邊緣AI/ML充滿挑戰。例如,為了提高AI/ML結果的準確性或實現新的應用,嵌入式視覺開發人員需要為其系統添加更多感測器和/或更高分辨率、更高幀率的攝影鏡頭。與此同時,嵌入式視覺設計人員希望使用符合MIPI 標準的元件。MIPI 起初是為行動市場開發的,如今,各類應用的設計人員正尋找方法,以利用應用處理器等 MIPI 元件帶來的高效能和規模經濟的優勢。



圖三 : CrossLink-NX 圖示 (source:萊迪思)
圖三 : CrossLink-NX 圖示 (source:萊迪思)

CrossLink-NX FPGA 擁有處理多個影片數據流和即時執行AI運算功能的必要資源,並且支援各類現有介面。


為服務影片和顯示器的應用,該產品系列擁有多個MIPI D-PHY介面和CSI-2攝影鏡頭介面。兩個硬核D-PHY介面,每個介面支持四個通道,通道速率高達2.5 Gbps(共10 Gbps),同時,其他軟核MIPI D-PHY配置支援高達12個速率為1.5 Gbps的MIPI數據流。其他I/O包括硬核5 Gbps PCIe Gen2 和1066 Mbps LPDDR3 DRAM。


CrossLink-NX的硬核DSP功能區塊可用於本地處理神經網路(NN)。該系列平均每個邏輯單元有170 bit儲存空間,擁有同類產品中最高的儲存與邏輯區塊比。FPGA的大型晶載SRAM從1到2.5 MB 不等,可儲存神經網路的激活和權重。


FD-SOI工藝提供創新功耗模式和更高的穩定性

萊迪思採用 FD-SOI製程,為開發人員管理功耗提供了一種創新方式。該製程可以實現在裸晶的背面施加電壓(逆向偏壓)之應用,從而改變臨界電壓,因此讓萊迪思可以提供兩種操作模式—低功耗模式以及高效能模式。透過功耗優化,較高頻率下的操作功率可達到200mW左右,而靜態漏電功耗僅為幾十毫瓦(a few 10’s of mW)。與其他同類競品相比,CrossLink-NX FPGA的功耗降低多達75%。


FD-SOI製程還帶來了另一個優勢,軟錯誤大大減少,軟錯誤是高能粒子撞擊 FPGA 中的電晶體並損壞效能的現象。使用 FD-SOI 製程可顯著減小晶片上容易受到軟錯誤影響的物理區域。


為確保基於SRAM 的LUT穩定運行,還使用了記憶體區塊錯誤校正碼進行軟體錯誤檢查。總而言之,基於FD-SOI製程的 CrossLink-NX的軟錯誤率(SER)比Bulk CMOS製程製造的同類競品FPGA解決方案降低達100多倍。


Crosslink-NX 尺寸更小

行動應用往往有非常嚴格的空間限制。萊迪思該系列兩款產品將分別支援不同級別的邏輯大小(17K或40K邏輯單元)。CrossLink-NX系列的一大優勢是它佔據的空間極小,最小封裝尺寸僅為 3.7 mm x 4.1 mm(以較小的17K邏輯單元元件版本為例)。CrossLink-NX 系列裝置的腳位皆可相容,同樣的電路板設計可用於不同應用,還可以對使用這些裝置的未來版本進行效能升級。


效能瞬時啟動

CrossLink-NX FPGA使用quad-SPI flash設定檔,可以在3毫秒內首先將I/O 針腳配置完成,然後在14毫秒內即可完成完整邏輯配置。這些功能讓效能可以瞬時啟動,降低了在許多應用中可能出現的運行問題。


Crosslink-NX 提供簡單的操作體驗

CrossLink-NX FPGA擁有大量不斷更新的軟體支援,包括萊迪思Radiant設計工具(最近的更新包括了晶載除錯、訊號完整性分析和工程變更指令??器等功能)和廣泛用於嵌入式視覺應用的各類IP核心(MIPI D-PHY、格式轉換、PCIe、SGMII 和 OpenLDI)。萊迪思還提供針對如攝影機等常見應用的開發板和參考設計,並將在未來釋出更多。


結論

萊迪思藉由CrossLink-NX FPGA系列產品,將可程式化設計與高效能處理及高速I/O互連相結合。這些裝置將以高度靈活性、低功耗、可程式化設計、小尺寸和高速影像介面,為開發人員帶來嵌入式智慧視覺應用的多種選擇。


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