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讓筆記型電腦重獲生機
 

【作者: 萊迪思半導體】   2020年09月11日 星期五

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COVID-19新冠病毒的爆發讓人們的工作狀態發生了巨大變化,筆記型電腦市場也因此繁榮了起來。早在病毒蔓延全球之前,行業分析公司Gartner就曾在2020年1月指出:「Windows 10升級的強勁業務需求讓PC市場自2011年以來首次出現增長,尤其是在美國、歐洲、中東和非洲(EMEA)以及日本市場。」


為了在日益興盛的市場中保持競爭力,筆記型電腦的OEM廠商希望通過採用新技術和增添新應用來提高生產力,從而使其產品獲得差異化優勢。雖然其中許多技術最初是用於智慧手機等設備,但它們同樣可以在筆記型電腦上大放異彩,使之一方面擁有成熟筆記型電腦的強大功能,另一方面又獲得行動設備的便捷和安全性,並良好的適應周圍環境。


筆記型電腦上的許多新功能都可以通過軟體實現,但是這會縮短電池使用時間。為了解決這個矛盾,萊迪思半導體正著手開發基於硬體的方案,以極低的功耗實現更高的性能,同時由於採用了萊迪思的FPGA器件,為未來的升級提供了極大便利。由於FPGA能在現場重新程式設計,OEM廠商還可以通過下載軟體和固件更新,在硬體上實現新的應用,而無需重新設計硬體。


筆記型電腦的使用不斷增長

曾有人預測筆記型電腦將被智慧手機和平板電腦取代,然而由於工作環境的改變和新興技術的發展,筆記型電腦的使用不降反增。雲計算和無處不在的寬頻連線意味著員工在工作場所之外也同樣可以保證不錯的生產力。由於筆記型電腦配備全尺寸鍵盤、高解析度顯示幕和攝影鏡頭,通常是電子郵件、文字處理和視訊會議等商務生產力應用的首選。


儘管許多圍繞省電和人工智慧(AI)的技術創新大多應用於智慧型手機平台,它們同樣可以應用於筆記型電腦,且不影響其功耗。例如筆記型電腦的顯示幕是主要耗電來源,我們可以對用戶進行智慧監測,確定用戶的注意力是否在電腦螢幕上,當使用者的注意力轉移到別處時,可以自動降低螢幕亮度,從而大大延長電池壽命。這一應用已經在智慧手機上廣泛使用,如今在筆記型電腦上也可以獲得類似的體驗。


AI日益普及

儘管AI仍是一個潛力無限的新興領域,但它正不斷向消費者展現其巨大價值。有些AI應用已經成為主流,用戶也十分滿意它們帶來的便利。人臉辨識就是其中之一,特別是作為智慧型手機上的安全功能大行其道。它現在還廣泛用於全球的機場,在旅客通過出入境關口時追蹤進入或離開該國的旅客。


在這幾種情況下,攝影鏡頭都能人臉辨識,增強了電腦使用者(或進入某國的遊客)對其身份判斷的可信度。如今,消費者逐漸對AI體驗感到滿意,他們期望人臉辨識之類的智慧視覺功能,可以在筆記型電腦上得到更廣泛的應用。


安全和隱私

桌上型電腦的安全和隱私固然十分重要,但是筆記型電腦則更甚。無論是用於工作還是個人使用,安全性和隱私(儘管在技術上屬於不同的概念)可以視作一個要求,因為保護敏感性資料的安全性能需求與保證該資料私密性的需求密不可分。


我們都知道保護安全和隱私通常意味犧牲便捷。儘管那些繁瑣的安全措施能夠保護在公共區域使用的筆記型電腦,但是到了熟悉可控的環境中,例如工作場所或家裡,這些措施會令人煩惱,甚至沒有必要。


筆記型電腦可以使用AI來識別場景,這樣做的好處就是它可以根據自身所處的位置調整安全設置。在家裡使用時,由於客觀風險較小,就可以調整設置更便於使用。相比之下,在咖啡廳裡使用時,由於面對的是陌生的環境和人,可以自動提高安全設置。


當然,這不僅僅是檢測筆記型電腦所處的環境那麼簡單。負責掃描環境的攝影鏡頭還可以檢測用戶起身離開的動作,例如去倒咖啡或去洗手間。然後,電腦可以快速自我鎖定,無需用戶進行鎖屏。同樣,攝影鏡頭還可以檢測到其他人從後方窺視使用者的螢幕,從而採取措施阻止未經授權的使用者觀看螢幕。如今電腦入侵事件層出不窮,AI還可以?明監視電腦內部行為和活動,向用戶報告任何的可疑事件。


以上列舉了筆記型電腦的一些升級的案例,旨在滿足現代工作者的需求和期望。由於篇幅有限,本文只涉及兩種筆記型電腦的發展趨勢:


‧ 即時線上和暫態啟動的特性。主要目的是省電。


‧ 全新的筆記型電腦形態。這意味著可以將螢幕與機身分離、嘗試全新的筆記型電腦形狀或者折疊筆記型電腦和螢幕。


萊迪思FPGA(尤其是iCE40 UltraPlus和CrossLink-NX FPGA)以及用於即時線上網路邊緣AI應用的Lattice sensAI解決方案集合提供了在未來的筆記型電腦中實現這些功能的有效途徑。而且,其功耗要遠遠低於基於ASIC的方案。


即時線上和暫態啟動

如今,筆記型電腦進入睡眠或喚醒狀態只有三種操作方式:按下按鈕(可能是用滑鼠),合上機蓋或等待電腦進入睡眠。新款的筆記型電腦可能會通過語音命令喚醒。


筆記型電腦面臨的主要問題在於其SoC晶片。SoC負責控制筆記型電腦中進行的各類活動,因此,它參與電腦執行的絕大多數任務。SoC包含CPU核心,可能還包括其他處理電路和外設電路,它在工作時會消耗大量能量。


由於SoC參與了筆記型電腦的大量活動,因此在系統(尤其是SoC)休眠時,電腦幾乎無法處理任何任務。睡眠期間可用的功能就是和喚醒系統相關的選項。其他任務都無法在睡眠的系統上運行。在某些情況下,如果需要處理特定的任務(如下載電子郵件、網路監控等),工作功率會達到100毫瓦,大大減少了電池使用時間。


如果筆記型電腦擁有回應感測器信號的AI功能,那麼即使SoC處於睡眠狀態,電腦也可以執行許多工。AI功能可以在SoC睡眠時工作或做出決策,要麼喚醒SoC開展進一步的工作,要麼讓SoC保持睡眠狀態,讓AI處理所需完成的任務。低功耗FPGA是實現AI功能的理想硬體平台。它們擁有足夠的處理能力執行基本的AI任務(例如存在檢測),功耗卻比SoC低得多。如果AI確定需要SoC參與任務,則將其喚醒,配合AI進行處理或採取其他措施。



圖一
圖一

萊迪思sensAI解決方案集合可搭載iCE40 UltraPlus、ECP5和CrossLink-NX FPGA,輕鬆實上述AI功能。但是目前為止,此類AI大多應用於物聯網(IoT)設備。例如,智慧門鈴可能具有以下功能:


‧ 檢測人員和其他物體(如包裹)的存在。


‧ 檢測和/或識別出特定的人臉或人。可以是註冊為授權使用者的特定人員(例如房屋的居住者),也可以是經常路過門鈴攝影鏡頭的人員,例如身穿制服的快遞員或園丁。


‧ 理解一些手勢或語音命令。將面部識別與語音關鍵字或密碼驗證相結合,可以實現雙重身份驗證登錄,提高安全性。


‧ 利用相容各類感測器的推理引擎來最大程度地減少傳輸到雲端資料。


在此類應用中,萊迪思FPGA能夠在SoC不工作的狀態下,在更低功耗下提供比獨立CPU更高的性能,因為CPU必須通過軟體執行任務,而FPGA採用效率更高、基於硬體的實現。例如,控制智慧門鈴或監控攝影鏡頭的CPU每秒可處理1-2幀,而功耗卻高達100 mW。萊迪思iCE40 UltraPlus FPGA在7 mW功耗下每秒可處理5幀,性能為前者的3-5倍,功耗僅為前者的十四分之一。


如果萊迪思的sensAI解決方案可用於智慧門鈴或監控攝影鏡頭,則同樣適用於筆記型電腦,實現以下功能:


‧ 檢測使用者何時觀看螢幕。當使用者的視線離開螢幕時,調暗螢幕節省電量;注意力重新聚焦螢幕時,增加螢幕亮度。


‧ 根據筆記型電腦所處的位置調整安全設置。


‧ 檢測使用者的視線方向。這可以簡化通常需要滑鼠的任務。眼部跟蹤可以避免手動操作某些頻繁出現的任務。


‧ 優化圖形渲染的功耗。可以著重渲染使用者正在觀看的螢幕部分。其餘部分保持相對模糊或較低的渲染效果,從而節省電量,直到使用者視線轉移到螢幕的其他部分。


‧ 通過玩家的眼睛移動影響遊戲的敘述軌跡。


‧ 檢測是否有人在用戶背後偷窺。


‧ 沒人使用筆記型電腦時,調暗螢幕以節省電量。


下面的示意圖說明了萊迪思iCE40 UltraPlus FPGA如何分擔筆記型電腦SoC的一些AI處理工作。



圖二
圖二

在此設計中,感測器介面收集各個感測器的輸入,在FPGA的神經網路(NN)加速器中進行處理,並在片上SRAM儲存處理神經網路所需的權重和啟動值。如果需要進一步處理,加速器則做出決策,喚醒SoC。


AI功能的構建採用萊迪思sensAI解決方案集合的各種資源以及iCE40 UltraPlus和CrossLink-NX FPGA。設計人員可以使用完善的軟體工具和整套設計工具,進一步調整在Caffe、Keras、MobileNet、ResNet、SSD和TensorFlow等主要架構上訓練的網路。sensAI包括參考設計、演示板、IP核和硬體平台,可用于開發各類常見的AI應用(例如存在檢測、物件計數、臉部辨識等)。萊迪思還提供客製化服務,讓開發人員快速實現AI功能,而無需全方位學習如何開發和實現AI應用。



圖三
圖三

減少信號數量,邁入全新形態

現代筆記型電腦面臨的第二個挑戰是如何超越傳統的外觀。這涉及到筆記本的靈活性,例如從中間將螢幕折疊將其收起。筆記型電腦的設計面臨著大量信號傳輸的難題,這些信號又涉及到眾多協定。


一種簡單的處理方法是通過信號聚合來減少信號數量。可以將多個低頻寬介面複用到單個更高頻寬的信號上,然後再進行解複用,大大優化了筆記型電腦的佈線。它使電路板之間的連接更簡單,還能簡化電路板上的佈線,還意味著能夠大大減少穿過鉸鏈或其他柔性元件的線路。並且由於減少了連接器數量,可靠性也得到增強。


信號聚合可以在單線或一對LVDS上實現。萊迪思的FPGA可以提供諸多性能選擇來傳輸這些信號,從而為最高效的設計實現提供方案。例如,一片iCE40 UltraPlus FPGA可以以在單線上實現7 Mbps的傳輸速率。使用更高性能的萊迪思FPGA,可以實現更高的頻寬聚合速度。


然而,問題在於不同的信號可能採用不同的協定進行傳輸,可以通過類似於感測器集線器(Hub)的I/O 集線器來解決這一難題。該集線器可聚合不同類型的本地I/O信號,並將其複用到數量較少的高速線路上。這些線路連接另一端的I/O集線器,信號在此被還原為最初的協議類型。



圖四
圖四

萊迪思的FPGA提供用於接收I/O信號並傳輸多工信號的物理硬體。萊迪思還提供用於構建I/O集線器的IP。信號聚合可適用各類感測器,因此不同類型的感測器(RGB、IR、雷射雷達、雷達等)資料流程或通過不同匯流排類型(I2C、I2S、UART、GPIO)傳輸的信號可以聚合在同一引腳或線路上。萊迪思在智慧型手機的信號聚合方面長期積累了豐富的經驗,這些同樣適用於筆記型電腦上的感測器聚合應用。


協助打造未來的筆記型電腦

工程師們正努力開發全新的筆記型電腦,為用戶提供類似智慧型手機和平板電腦的使用體驗。與今天的產品相比,未來的筆記型電腦將更易於使用、電池壽命更長並且更加安全。


功耗和外形尺寸方面的改進將最為顯著。筆記型電腦將通過節電技術,讓用戶可以連續使用一整天或更長時間。它們還將變得更加靈活、便攜。


而萊迪思FPGA將是筆記型電腦實現這些新功能的關鍵。在SoC之外處理工作可延長SoC的睡眠狀態,僅在需要使用其計算能力時才將其喚醒,這將大幅降低功耗。在硬體上實現AI以及感測器集線器,可以連接多個攝影鏡頭、麥克風和其他感測器,意味著SoC停止工作的時間更長。聚合多路信號的I/O集線器有助於減少信號數量,實現基於AI的感測器聚合,筆記型電腦的構建因此更加簡單,還能提供更豐富的用戶體驗。


萊迪思的FPGA為這些集線器提供了硬體平台,sensAI解決方案集合則使AI功能更易實現。兩者結合可以幫助開發人員製造更輕便、功耗更低的筆記型電腦,為2020年代的企業和個人用戶提供更強大的生產力工具。


參考資料


[1]https://www.gartner.com/en/newsroom/press-releases/2020-01-13-gartner-says-worldwide-pc-shipments-grew-2-point-3-percent-in-4q19-and-point-6-percent-for-the-year


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