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网路边缘之嵌入式视觉处理:Crosslink-NX
 

【作者: 萊迪思】2020年05月19日 星期二

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网路边缘正迅速成为AI处理未来发展至关重要的一部分。随着5G将数十亿设备连接至网路上,互连性将变得更加普遍。市场对应用人工智慧和机器学习(AI/ML)的兴趣不断增长,对於在网路边缘运行且具备AI/ML处理功能的低功耗高科技设备的需求也十分庞大。在网路边缘运行的高阶处理能够大幅降低终端和终端使用者的延迟,更好地保护使用者隐私。此外,网路边缘智慧装置能对发送到云端的数据进行筛选,从而降低网路成本和频宽要求。


这些网路边缘智慧设备大多使用图像感测器来支援各类嵌入式视觉应用,包括物件计算和存在侦测等基於AI/ML 的应用。然而,在网路边缘上支援嵌入式视觉应用,要求设备具备特定设计和效能特徵,例如:低功耗、高效能、高可靠性和小尺寸。针对这类应用,莱迪思推出全新CrossLink-NX系列FPGA。新的晶片旨在满足影片处理的最新趋势,包括:混用多个感测器和显示器、高解析度的影片、多个介面以及网路边缘AI处理等。


CrossLink遇见Nexus

为协助研发人员支援全新及现有的嵌入式视觉系统,莱迪思打造出CrossLinkPlus这款专业化、小尺寸、低功耗FPGA产品系列。



图一 : CrossLinkPlus 与 CrossLink-NX 比较(source:莱迪思)
图一 : CrossLinkPlus 与 CrossLink-NX 比较(source:莱迪思)

CrossLinkPlus不仅具有可程式化逻辑以满足处理需求,更支援各类介面标准,是网路边缘应用中,影片讯号聚合和图像协同处理的绝隹选择。CrossLinkPlus FPGA采用40 nm bulk CMOS制程制造。


针对需要更高效能的嵌入式视觉系统,莱迪思发布了CrossLink-NX系列 FPGA。为基於莱迪思全新FPGA技术平台Lattice Nexus的首款FPGA,也是采用28 nm完全空乏型矽绝缘层金氧半电晶体(FD-SOI)制程的主流低功耗FPGA平台。


藉由28 nm FD-SOI制程以及针对低功耗、小型封装进行优化的全新FPGA架构,CrossLink-NX扩展了CrossLink FPGA系列的功能。CrossLink-NX提供更低功耗、更小封装、更高效能、高度可靠性以及易於使用的全新工具,为研发人员提供优异的影片和感测器处理的创新选择。


Crosslink-NX 的应用市场:汽车、行动装置、工业等

Crosslink-NX系列产品非常灵活,可以满足影片切换和图像处理领域中多个细分市场的需求。这些领域的应用大多需要支援在多个显示器、摄影镜头,以及如图像感测器等的感测器之间的桥接和/或聚合数据流。


此外,这些元件可用於即时影片处理和AI/ML推理。由於FPGA具有较高的能源效率,因此它们不仅可被用於电池供电的行动装置中,更能在运算和工业控制应用中,提供足够的强大效能。



图二 : 嵌入式视觉的发展趋势 (source:莱迪思)
图二 : 嵌入式视觉的发展趋势 (source:莱迪思)

在视讯监控和安全防护应用中,CrossLink-NX可以实现AI推理,透过如人脸辨识或存在侦测等功能,以预先处理感测器数据。此外,它还可以用於感测器聚合和桥接。


此款晶片可被作为嵌入式视觉协同处理器,以合并多达14个感测器。它还可以用於影片缩放、旋转和色彩空间转换。使用该晶片可将一个感测器数据流发送到多个位置,在汽车应用中非常实用,因摄影镜头常常需要向多个处理单元提供数据。


在此篇白皮书的以下各个章节中,将比较CrossLink-NX与具有相似逻辑单元密度和I/O支援的同类FPGA产品。下列为莱迪思提供的效能和功耗比较测试。


高效能Crosslink-NX实现网路边缘AI

AI处理通常被认为需要在云端完成,然而在网路边缘实现设备端的AI功能越来越重要,以确保更好的使用者隐私、减少上传到云端的数据量,以及降低数据延迟,缩短装置回应时间。


对於硬体开发人员而言,有多种因素导致实现网路边缘AI/ML充满挑战。例如,为了提高AI/ML结果的准确性或实现新的应用,嵌入式视觉开发人员需要为其系统添加更多感测器和/或更高分辨率、更高帧率的摄影镜头。与此同时,嵌入式视觉设计人员希??使用符合MIPI 标准的元件。MIPI 起初是为行动市场开发的,如今,各类应用的设计人员正寻找方法,以利用应用处理器等 MIPI 元件带来的高效能和规模经济的优势。



图三 : CrossLink-NX 图示 (source:莱迪思)
图三 : CrossLink-NX 图示 (source:莱迪思)

CrossLink-NX FPGA 拥有处理多个影片数据流和即时执行AI运算功能的必要资源,并且支援各类现有介面。


为服务影片和显示器的应用,该产品系列拥有多个MIPI D-PHY介面和CSI-2摄影镜头介面。两个硬核D-PHY介面,每个介面支持四个通道,通道速率高达2.5 Gbps(共10 Gbps),同时,其他软核MIPI D-PHY配置支援高达12个速率为1.5 Gbps的MIPI数据流。其他I/O包括硬核5 Gbps PCIe Gen2 和1066 Mbps LPDDR3 DRAM。


CrossLink-NX的硬核DSP功能区块可用於本地处理神经网路(NN)。该系列平均每个逻辑单元有170 bit储存空间,拥有同类产品中最高的储存与逻辑区块比。FPGA的大型晶载SRAM从1到2.5 MB 不等,可储存神经网路的激活和权重。


FD-SOI工艺提供创新功耗模式和更高的稳定性

莱迪思采用 FD-SOI制程,为开发人员管理功耗提供了一种创新方式。该制程可以实现在裸晶的背面施加电压(逆向偏压)之应用,从而改变临界电压,因此让莱迪思可以提供两种操作模式低功耗模式以及高效能模式。透过功耗优化,较高频率下的操作功率可达到200mW左右,而静态漏电功耗仅为几十毫瓦(a few 10’s of mW)。与其他同类竞品相比,CrossLink-NX FPGA的功耗降低多达75%。


FD-SOI制程还带来了另一个优势,软错误大大减少,软错误是高能粒子撞击 FPGA 中的电晶体并损坏效能的现象。使用 FD-SOI 制程可显着减小晶片上容易受到软错误影响的物理区域。


为确保基於SRAM 的LUT稳定运行,还使用了记忆体区块错误校正码进行软体错误检查。总而言之,基於FD-SOI制程的 CrossLink-NX的软错误率(SER)比Bulk CMOS制程制造的同类竞品FPGA解决方案降低达100多倍。


Crosslink-NX 尺寸更小

行动应用往往有非常严格的空间限制。莱迪思该系列两款产品将分别支援不同级别的逻辑大小(17K或40K逻辑单元)。CrossLink-NX系列的一大优势是它占据的空间极小,最小封装尺寸仅为 3.7 mm x 4.1 mm(以较小的17K逻辑单元元件版本为例)。CrossLink-NX 系列装置的脚位皆可相容,同样的电路板设计可用於不同应用,还可以对使用这些装置的未来版本进行效能升级。


效能瞬时启动

CrossLink-NX FPGA使用quad-SPI flash设定档,可以在3毫秒内首先将I/O 针脚配置完成,然後在14毫秒内即可完成完整逻辑配置。这些功能让效能可以瞬时启动,降低了在许多应用中可能出现的运行问题。


Crosslink-NX 提供简单的操作体验

CrossLink-NX FPGA拥有大量不断更新的软体支援,包括莱迪思Radiant设计工具(最近的更新包括了晶载除错、讯号完整性分析和工程变更指令??器等功能)和广泛用於嵌入式视觉应用的各类IP核心(MIPI D-PHY、格式转换、PCIe、SGMII 和 OpenLDI)。莱迪思还提供针对如摄影机等常见应用的开发板和叁考设计,并将在未来释出更多。


结论

莱迪思藉由CrossLink-NX FPGA系列产品,将可程式化设计与高效能处理及高速I/O互连相结合。这些装置将以高度灵活性、低功耗、可程式化设计、小尺寸和高速影像介面,为开发人员带来嵌入式智慧视觉应用的多种选择。


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