Блог компании LIFCL-40-8BG400I Решетка CrossLink-NX Встроенное визуальное соединение и обработка FPGA

Компания Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. поставляет и перерабатывает встроенную ПЛИС LIFCL-40-8BG400I Lattice CrossLink-NX для видеомоста и обработки данных.

Являясь флагманской встроенной ПЛИС для машинного зрения в серии CrossLink-NX,LIFCL-40-8BG400Iпостроен на зрелой и надежной запатентованной архитектуре платформы FPGA Lattice Nexus™. Он точно ориентирован на два основных сектора: объединение встроенных систем машинного зрения и обработку периферийных изображений в реальном времени. Благодаря усовершенствованному производственному процессу FD-SOI, проводным высокоскоростным каналам видеопередатчика, логическим ресурсам с высокой вычислительной плотностью, сверхнизкому энергопотреблению и высоконадежной конструкции промышленного уровня он стал основным программируемым аппаратным компонентом для массового производства, функциональных обновлений и локализации встраиваемого видеооборудования среднего класса.

I. Позиционирование ядра и фундаментальная аппаратная архитектураLIFCL-40-8BG400IУстройство

LIFCL-40-8BG400I — это вычислительная модель FPGA среднего класса из серии CrossLink-NX, специально разработанная для сценариев встроенного машинного зрения промышленного уровня. Его основное позиционирование отходит от традиционной философии проектирования FPGA, согласно которой она «большая и комплексная», вместо этого основное внимание уделяется основным функциям «три в одном»: «бесшовное соединение протоколов машинного зрения + предварительная обработка изображений в реальном времени + легкий граничный вывод AI». Он позволяет избежать избыточного накопления высокопроизводительных вычислительных ресурсов и точно решает основные проблемы встроенных терминалов, такие как ограничения по питанию, компактное пространство, сложные условия эксплуатации и высокие требования к работе в режиме реального времени. Идентификатор ядра в суффиксе устройства имеет четкое инженерное определение: 8BG400I соответствует диапазону рабочих температур промышленного уровня, архитектуре корпуса BGA высокой плотности и оптимизированной конфигурации ввода-вывода. Он полностью адаптирован к суровым условиям эксплуатации промышленных сред, характеризующимся резкими колебаниями температуры, сложными электромагнитными помехами и длительной бесперебойной работой. В отличие от моделей коммерческого класса, он обеспечивает превосходную адаптируемость к окружающей среде и эксплуатационную стабильность.

Базовая архитектураLIFCL-40-8BG400IУстройство построено на собственной платформе оптимизации FPGA Nexus™ от Lattice и использует передовой в отрасли производственный процесс FD-SOI (полностью обедненный кремний на изоляторе) по 28-нм техпроцессу. По сравнению с традиционными кремниевыми ПЛИС того же класса ее основные преимущества особенно заметны. С одной стороны, это значительно снижает частоту мягких ошибок чипа и существенно повышает устойчивость к единичным сбоям, отвечая требованиям надежности для долгосрочной стабильной работы в таких сценариях, как промышленное управление, помощь при автономном вождении в автомобиле и наблюдение за безопасностью; С другой стороны, технология программируемого обратного смещения обеспечивает точную динамическую оптимизацию энергопотребления и производительности в пределах одного устройства, балансируя мощность визуальной обработки с общим энергопотреблением системы по мере необходимости. В ходе практических испытаний рабочее энергопотребление системы на 75 % ниже, чем у сопоставимых FPGA конкурентов, что делает ее идеально подходящей для управления питанием портативных визуальных устройств с батарейным питанием и маломощных встроенных периферийных терминалов. Кроме того, архитектура включает в себя конструкцию с высоким соотношением памяти к логическому блоку, при этом каждый логический блок имеет до 170 бит памяти, что намного превышает конфигурацию FPGA общего назначения той же спецификации. Это обеспечивает обширную поддержку встроенной памяти для кэширования изображений высокой четкости, хранения кадров визуальных данных и кэширования весовых выводов искусственного интеллекта, устраняя необходимость в частом использовании внешних микросхем памяти высокой емкости и упрощая сложность аппаратной компоновки печатной платы.

II.LIFCL-40-8BG400IОсновные аппаратные ресурсы и ключевые параметры производительности

LIFCL-40-8BG400I оснащен точно адаптированной логической обработкой, цифровой обработкой сигналов, хранилищем и аппаратными ресурсами интерфейса для удовлетворения вычислительных потребностей всего рабочего процесса встроенной обработки видеоизображения. Не имея избыточных или ненужных ресурсов, он сочетает контроль затрат с основными требованиями к производительности, предлагая значительное соотношение цены и качества при массовом производстве. Что касается вычислительной мощности базовой логики, устройство включает в себя 39 000 экономически эффективных логических блоков, способных эффективно выполнять фундаментальные алгоритмы предварительной обработки изображения, такие как обрезка изображения, преобразование цветового пространства, шумоподавление, пороговая сегментация изображения и обнаружение краев. Он также поддерживает параллельную синхронную обработку нескольких потоков видеоданных, удовлетворяя базовым вычислительным требованиям для синхронного сбора данных с нескольких камер и многоканального кодирования и декодирования видео в реальном времени. Он объединяет 56 наборов высокопроизводительных аппаратных модулей DSP с разрешением 18×18 бит, специально разработанных для ускорения основных операций искусственного интеллекта, таких как свертка, матричные операции и преобразование данных с плавающей запятой. Поскольку они не занимают ресурсы логических блоков общего назначения, они значительно повышают скорость вывода облегченных моделей искусственного интеллекта, таких как облегченные CNN, обнаружение объектов и классификация изображений, на периферии, обеспечивая локальные периферийные вычисления с малой задержкой.

Что касается конфигурации загрузки и производительности оперативного реагирования,LIFCL-40-8BG400Iвключает запатентованную технологию мгновенного включения Lattice. Конфигурация порта ввода-вывода выполняется всего за 3 миллисекунды, а полнофункциональная загрузка всего устройства может быть достигнута всего за 8 миллисекунд. Благодаря времени отклика при включении менее секунды и отсутствию длительного ожидания инициализации он хорошо подходит для приложений, чувствительных к задержке загрузки, таких как автомобильные системы технического зрения, требующие немедленной работы при запуске, и промышленное оборудование, требующее быстрого сброса и перезапуска при включении питания. Что касается конфигурации памяти, устройство объединяет распределенную память высокой емкости и выделенные ресурсы кэша на кристалле, обеспечивая буферизацию в реальном времени и обработку видеокадров в основных разрешениях, таких как 720p и 1080p, без необходимости использования внешнего кэша DDR. Если возникнут требования к обработке изображения более высокого разрешения, внешнее хранилище, такое как DDR3, можно удобно расширить с помощью внешних интерфейсов памяти, что обеспечивает исключительную гибкость аппаратного расширения. В устройстве используется корпус BGA высокой плотности на 400 шариков с расположением контактов, специально оптимизированным для приложений машинного зрения. Он отличается четко определенными зонами ввода-вывода и превосходной целостностью сигнала, сочетая компактную компоновку печатной платы со стабильностью высокоскоростной передачи сигнала для удовлетворения требований к компактной конструкции встраиваемых устройств.

III.LIFCL-40-8BG400IВысокоскоростные аппаратные интерфейсы и возможности визуального моста

В качестве ядра FPGA, предназначенного для встроенного моста машинного зрения, интеграция жестких ядер высокоскоростного стандартизированного интерфейса машинного зрения представляет собой наиболее существенное отличительное преимущество LIFCL-40-8BG400I. Разработчикам не нужно использовать дополнительные логические ресурсы для создания схем интерфейса; Устройство включает в себя выделенные проводные высокоскоростные приемопередатчики, которые изначально поддерживают протоколы высокоскоростной связи основных камер, панелей дисплея и микросхем видеоконтроллера. Это значительно снижает сложность разработки мостов протоколов и связанную с этим рабочую нагрузку по кодированию, тем самым сокращая циклы разработки продуктов. Устройство включает в себя два защищенных 4-канальных высокоскоростных трансивера MIPI D-PHY, каждый из которых PHY-канал обеспечивает скорость передачи данных до 10 Гбит/с. Объединенная полоса пропускания полностью поддерживает передачу, прием и пересылку потоков видеоданных высокой четкости 4K UHD в реальном времени. Он изначально поддерживает основные устройства визуального захвата с интерфейсом MIPI, такие как камеры мобильных телефонов, промышленные камеры высокой четкости и автомобильные камеры кругового обзора, обеспечивая агрегацию, разделение, преобразование протоколов и ретрансляцию сигналов нескольких потоков видеоданных MIPI.

В дополнение к основному высокоскоростному интерфейсу MIPI,LIFCL-40-8BG400Iоснащен до 37 наборами программируемых пар синхронного дифференциального ввода-вывода источника, которые можно гибко настроить для поддержки LVDS, SLVS, subLVDS, OpenLDI и других низко- и среднескоростных дифференциальных видеоинтерфейсов, обычно используемых в промышленном зрении. Он совместим с традиционными промышленными камерами, промышленными экранами дисплеев и устаревшими модулями видеозахвата, обеспечивая совместимость протоколов между новым и старым видеооборудованием. Он также объединяет промышленные коммуникационные интерфейсы общего назначения, такие как SGMII, RGMII, PCIe, USB 3.0, I²C, SPI и UART, обеспечивая плавный обмен данными с главным MCU, промышленным Ethernet, хост-компьютерами, внешним хранилищем и сенсорными модулями. Это позволяет создать полную комплексную встроенную систему машинного зрения, включающую «получение изображения – соединение и преобразование – обработку в реальном времени – загрузку данных». Возможность бесшовного многопротокольного мостового соединения позволяет этому устройству функционировать как мостовой чип чистого протокола, заменяя традиционные специализированные мостовые ASIC, а также обеспечивая будущее расширение вычислительной мощности обработки изображений. Это обеспечивает многофункциональность в одном чипе, упрощая выбор аппаратного чипа и снижая сложность проектирования схем для всей системы.

IV. Основные конкурентные преимущества и гарантия надежности промышленного уровняLIFCL-40-8BG400I

По сравнению с конкурирующими решениями FPGA и традиционными специализированными мостовыми микросхемами LIFCL-40-8BG400I предлагает четыре незаменимых основных преимущества в конкретных встраиваемых приложениях машинного зрения. Во-первых, он предлагает исключительную адаптируемость при малом энергопотреблении. 28-нм техпроцесс FD-SOI в сочетании с технологией динамического управления питанием позволяет поддерживать энергопотребление на уровне ста милливатт во время стандартных операций предварительной обработки изображения, что значительно ниже, чем у FPGA общего назначения с эквивалентной вычислительной мощностью. Это делает его идеальным для портативных устройств машинного зрения с батарейным питанием и необслуживаемых терминалов периферийного зрения, требующих длительной работы с низким энергопотреблением. Во-вторых, он обеспечивает высокую надежность и помехоустойчивость промышленного уровня. Суффикс «I» обозначает характеристики промышленного уровня, поддерживающие работу в широком диапазоне температур. Он выдерживает электромагнитные помехи, экстремальные колебания температуры и суровые условия длительной непрерывной работы в промышленных условиях. Благодаря значительному снижению частоты мягких ошибок эксплуатационная стабильность устройства намного превосходит стабильность работы стандартных FPGA коммерческого уровня, что снижает частоту отказов оборудования на месте и последующие затраты на техническое обслуживание.

В-третьих, он предлагает удобную разработку и эффективное массовое производство. Он полностью совместим со специализированным программным обеспечением для разработки FPGA Radiant™ от Lattice и поставляется с множеством официальных эталонных проектов и IP-ядрами для встроенного видеомоста, предварительной обработки изображений и вывода ИИ. Разработчикам не нужно создавать логику протокола с нуля на низком уровне; вместо этого они могут напрямую использовать зрелую интеллектуальную собственность для быстрого выполнения функциональной конфигурации и развертывания алгоритмов, что значительно сокращает цикл от создания прототипа продукта до массового производства. В-четвертых, он предлагает отличное соотношение цены и качества при контролируемых затратах. Распределение ресурсов устройств точно ориентировано на основные сценарии, исключая непроизводительные траты избыточных вычислительных ресурсов высокого класса. Благодаря низким затратам на закупку микросхем и упрощенной конструкции периферийных схем общая стоимость спецификации остается управляемой. Он сочетает в себе гибкость программирования с недорогими преимуществами массового производства ASIC, что делает его пригодным для крупномасштабного промышленного внедрения.

5. АдаптацияLIFCL-40-8BG400Iк основным сценариям приложений встраиваемого машинного зрения

Используя свои комплексные функции, в том числе мощные возможности мостового соединения, низкое энергопотребление, высокую надежность, компактные размеры и умеренную вычислительную мощность,LIFCL-40-8BG400Iшироко адаптируется к различным сценариям применения встраиваемых систем машинного зрения среднего уровня, демонстрируя исключительную адаптируемость при практической реализации. В области промышленного машинного зрения он служит основным мостом для многоканального сбора видеоданных с промышленных камер, обеспечивая преобразование протоколов MIPI/LVDS для нескольких промышленных камер, предварительную обработку данных изображения в реальном времени и упрощенный вывод искусственного интеллекта для обнаружения дефектов. Это облегчает миниатюризацию и маломощную модернизацию оборудования визуального контроля промышленных производственных линий, сортировки материалов и контроля состояния оборудования. В области интеллектуального автомобильного зрения он поддерживает такие устройства, как камеры кругового обзора, видеорегистраторы и системы мониторинга в салоне, обрабатывая многоканальную передачу и пересылку видео высокой четкости, шумоподавление и предварительную обработку изображения, а также легкое распознавание целей для помощи водителю. Он отвечает строгим требованиям автомобильного оборудования, включая работу при экстремальных температурах, высокую надежность и низкую задержку загрузки.

В области интеллектуальной безопасности и терминалов периферийного зренияLIFCL-40-8BG400Iможет использоваться в домашних интеллектуальных камерах, небольших терминалах мониторинга безопасности и пограничных шлюзах распознавания человеческой формы. Он позволяет собирать и кодировать видеоданные, локально обнаруживать человеческие фигуры, обнаруживать движение и распознавать аномальное поведение с помощью периферийного искусственного интеллекта. Без необходимости использования мощностей облачных вычислений визуальная обработка и принятие решений выполняются локально, что снижает нагрузку на сеть передачи данных и риски безопасности данных. В области портативных встраиваемых устройств машинного зрения с искусственным интеллектом он подходит для оборудования с батарейным питанием, такого как портативные приборы визуального контроля, портативные промышленные терминалы сканирования штрих-кодов и измерения температуры, а также интерактивные образовательные устройства машинного зрения. Благодаря сверхнизкому энергопотреблению он продлевает срок службы батареи устройства, одновременно обеспечивая передачу визуальных данных и обработку в реальном времени, балансируя портативность с практичной функциональностью.