مدونة الشركة حول LIFCL-40-8BG400I ليتيس كروسلينك-إن إكس FPGA مدمج لمعالجة وتوصيل الرؤية

تقوم شركة Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. بتوريد وإعادة تدوير LIFCL-40-8BG400I Lattice CrossLink-NX المضمنة في جسر الرؤية ومعالجة FPGA.

باعتباره جهاز FPGA الرائد المدمج في الرؤية في سلسلة CrossLink-NX، فإنليفكل-40-8BG400Iمبني على بنية منصة FPGA الناضجة والموثوقة Lattice Nexus™، وهو يستهدف بدقة القطاعين الأساسيين المتمثلين في جسر الرؤية المدمجة ومعالجة رؤية الحافة في الوقت الفعلي. بفضل عملية التصنيع المتقدمة 28 نانومتر FD-SOI، وقنوات إرسال واستقبال الرؤية عالية السرعة السلكية، والموارد المنطقية ذات الكثافة الحسابية العالية، واستهلاك الطاقة المنخفض للغاية، والتصميم الصناعي عالي الموثوقية، فقد أصبح مكون الأجهزة الأساسي القابل للبرمجة للإنتاج الضخم، والترقيات الوظيفية، وتوطين معدات الرؤية المدمجة متوسطة المدى.

I. تحديد المواقع الأساسية والهندسة المعمارية الأساسية للأجهزةليفكل-40-8BG400Iجهاز

LIFCL-40-8BG400I هو نموذج FPGA للحوسبة متوسطة المدى ضمن سلسلة CrossLink-NX، مصمم خصيصًا لسيناريوهات الرؤية المدمجة من الدرجة الصناعية. وينطلق موقعها الأساسي من فلسفة تصميم FPGA التقليدية المتمثلة في كونها "كبيرة وشاملة"، بدلاً من التركيز على الوظائف الأساسية الثلاثة في واحد المتمثلة في "جسر بروتوكول الرؤية السلس + المعالجة المسبقة للصور في الوقت الفعلي + استدلال الذكاء الاصطناعي الخفيف الوزن". فهو يتجنب التكديس الزائد لموارد الحوسبة المتطورة، ويعالج بدقة نقاط الضعف الأساسية في التطبيق للمحطات الطرفية المدمجة، مثل قيود الطاقة، والمساحة المدمجة، وظروف التشغيل المعقدة، ومتطلبات الوقت الفعلي العالية. يحتوي المعرف الأساسي في لاحقة الجهاز على تعريف هندسي واضح: 8BG400I يتوافق مع نطاق درجة حرارة التشغيل من الدرجة الصناعية، وبنية تعبئة BGA عالية الكثافة، وتكوين الإدخال/الإخراج الأمثل. إنه يتكيف تمامًا مع ظروف التشغيل القاسية للبيئات الصناعية، والتي تتميز بالتقلبات الشديدة في درجات الحرارة، والتداخل الكهرومغناطيسي المعقد، والتشغيل دون انقطاع على المدى الطويل. وعلى عكس النماذج التجارية، فهو يوفر قدرة فائقة على التكيف البيئي واستقرارًا تشغيليًا.

البنية الأساسية للليفكل-40-8BG400Iتم بناء الجهاز على منصة تحسين Nexus™ FPGA الخاصة بشركة Lattice ويستخدم عملية تصنيع FD-SOI (السيليكون المستنفد بالكامل) الرائدة في الصناعة. بالمقارنة مع FPGAs التقليدية المصنوعة من السيليكون من نفس الفئة، فإن مزاياها الأساسية بارزة بشكل خاص. فمن ناحية، فهو يقلل بشكل كبير من معدل الخطأ البسيط للرقاقة ويعزز بشكل كبير مقاومة الاضطرابات في حدث واحد، مما يلبي متطلبات الموثوقية للتشغيل المستقر على المدى الطويل في سيناريوهات مثل التحكم الصناعي ومساعدة القيادة الذاتية داخل السيارة والمراقبة الأمنية؛ ومن ناحية أخرى، تتيح تقنية التحيز العكسي القابلة للبرمجة تحسينًا ديناميكيًا دقيقًا لاستهلاك الطاقة والأداء داخل جهاز واحد، مما يؤدي إلى موازنة قوة المعالجة المرئية مع استهلاك طاقة النظام الإجمالي كما هو مطلوب. في الاختبار العملي، يقل استهلاك الطاقة التشغيلية للنظام بنسبة تصل إلى 75% عن مثيلاتها في FPGAs المنافسة، مما يجعله مناسبًا تمامًا لمتطلبات إدارة الطاقة للأجهزة المرئية المحمولة التي تعمل بالبطارية والمحطات الطرفية المدمجة منخفضة الطاقة. علاوة على ذلك، تتضمن البنية تصميمًا عاليًا لنسبة الذاكرة إلى الوحدة المنطقية، حيث تتميز كل وحدة منطقية بما يصل إلى 170 بتة من الذاكرة - وهو ما يتجاوز بكثير تكوين FPGAs للأغراض العامة بنفس المواصفات. يوفر هذا دعمًا كبيرًا للتخزين على الشريحة للتخزين المؤقت للصور عالية الوضوح، وتخزين إطار البيانات المرئي، والتخزين المؤقت لوزن الاستدلال بالذكاء الاصطناعي، مما يلغي الحاجة إلى شرائح ذاكرة خارجية متكررة عالية السعة وتبسيط تعقيد تخطيط PCB للأجهزة.

ثانيا.ليفكل-40-8BG400Iموارد الأجهزة الأساسية ومعايير الأداء الرئيسية

تم تكوين LIFCL-40-8BG400I بمعالجة منطقية مصممة بدقة ومعالجة الإشارات الرقمية والتخزين وموارد أجهزة الواجهة لتلبية المتطلبات الحسابية لسير عمل معالجة الرؤية المدمجة بالكامل. ومع عدم وجود موارد زائدة عن الحاجة أو مهدرة، فإنه يوازن بين التحكم في التكاليف ومتطلبات الأداء الأساسية، مما يوفر قيمة كبيرة مقابل المال في الإنتاج الضخم. فيما يتعلق بقدرة الحوسبة المنطقية الأساسية، يشتمل الجهاز على 39000 وحدة منطقية فعالة من حيث التكلفة قادرة على تنفيذ خوارزميات المعالجة المسبقة للرؤية الأساسية بكفاءة مثل اقتصاص الصور وتحويل مساحة اللون وتقليل الضوضاء وتجزئة عتبة الصورة واكتشاف الحواف. كما أنه يدعم المعالجة المتزامنة المتوازية لتدفقات بيانات الرؤية المتعددة، مما يلبي متطلبات الحوسبة الأساسية للحصول على كاميرات متعددة متزامنة وترميز وفك تشفير الفيديو متعدد القنوات في الوقت الفعلي. فهو يدمج 56 مجموعة من وحدات DSP عالية الأداء 18 × 18 بت، والمصممة خصيصًا لتسريع عمليات الاستدلال الأساسية للذكاء الاصطناعي مثل الالتفاف وعمليات المصفوفة وتحويل بيانات الفاصلة العائمة. ونظرًا لأن هذه العناصر لا تشغل موارد الوحدة المنطقية ذات الأغراض العامة، فإنها تعمل بشكل كبير على تحسين سرعة الاستدلال لنماذج الذكاء الاصطناعي خفيفة الوزن - مثل شبكات CNN خفيفة الوزن واكتشاف الكائنات وتصنيف الصور - عند الحافة، مما يتيح حوسبة الحافة المحلية ذات زمن الوصول المنخفض.

فيما يتعلق بتكوين التمهيد وأداء الاستجابة التشغيلية، فإنليفكل-40-8BG400Iيشتمل على تقنية تكوين التشغيل الفوري الخاصة بشركة Lattice. يتم إكمال تكوين منفذ الإدخال/الإخراج خلال 3 مللي ثانية فقط، بينما يمكن تحقيق التشغيل الكامل للجهاز بالكامل في أقل من 8 مللي ثانية. مع أوقات استجابة أقل من ثانية لبدء التشغيل وعدم الانتظار لفترة طويلة للتهيئة، فهو مناسب تمامًا للتطبيقات الحساسة لزمن وصول التمهيد، مثل أنظمة رؤية السيارات التي تتطلب التشغيل الفوري عند بدء التشغيل والمعدات الصناعية التي تتطلب إعادة تشغيل وإعادة تشغيل سريعين. فيما يتعلق بتكوين الذاكرة، يدمج الجهاز ذاكرة موزعة عالية السعة وموارد ذاكرة تخزين مؤقت مخصصة على الرقاقة، مما يتيح التخزين المؤقت ومعالجة إطارات الفيديو في الوقت الفعلي بدقة رئيسية مثل 720 بكسل و1080 بكسل دون الحاجة إلى ذاكرة تخزين مؤقت DDR خارجية. في حالة ظهور متطلبات معالجة رؤية عالية الوضوح، يمكن توسيع وحدة التخزين الخارجية مثل DDR3 بسهولة عبر واجهات الذاكرة الخارجية، مما يوفر مرونة استثنائية في توسيع الأجهزة. يستخدم الجهاز حزمة BGA عالية الكثافة مكونة من 400 كرة، مع تصميم دبوس مُحسّن خصيصًا لتطبيقات الرؤية. ويتميز بمناطق الإدخال/الإخراج المحددة بوضوح وسلامة الإشارة الممتازة، مما يوازن بين تخطيط PCB المدمج واستقرار نقل الإشارة عالي السرعة لتلبية متطلبات التصميم الهيكلي المدمج للأجهزة المدمجة.

ثالثا.ليفكل-40-8BG400Iواجهات أساسية عالية السرعة وقدرات جسر الرؤية

باعتبارها نواة FPGA مخصصة لجسر الرؤية المدمجة، فإن دمج النوى الصلبة لواجهة الرؤية القياسية عالية السرعة يمثل الميزة التفاضلية الأكثر أهمية لـ LIFCL-40-8BG400I. لا يحتاج المطورون إلى استخدام موارد منطقية إضافية لبناء دوائر الواجهة؛ يشتمل الجهاز على أجهزة إرسال واستقبال عالية السرعة مخصصة تدعم بروتوكولات الاتصال عالية السرعة للكاميرات السائدة ولوحات العرض ورقائق التحكم في الرؤية. وهذا يقلل بشكل كبير من تعقيد تطوير جسور البروتوكول وعبء عمل الترميز المرتبط به، وبالتالي تقصير دورات تطوير المنتج. يشتمل الجهاز على جهازي إرسال واستقبال عالي السرعة MIPI D-PHY بأربع قنوات، مع كل قناة PHY قادرة على معدل بيانات يصل إلى 10 جيجابت في الثانية. يدعم عرض النطاق الترددي المدمج بشكل كامل الإرسال والاستقبال وإعادة التوجيه في الوقت الفعلي لتدفقات بيانات الفيديو عالية الوضوح بدقة 4K UHD. وهو يدعم أصلاً أجهزة الالتقاط المرئي لواجهة MIPI السائدة مثل كاميرات الهاتف المحمول والكاميرات الصناعية عالية الوضوح وكاميرات الرؤية المحيطية داخل السيارة، مما يتيح التجميع والتقسيم وتحويل البروتوكول وجسر ترحيل الإشارة لتدفقات بيانات فيديو MIPI المتعددة.

بالإضافة إلى واجهة MIPI الأساسية عالية السرعة، فإنليفكل-40-8BG400Iمجهزة بما يصل إلى 37 مجموعة من أزواج الإدخال/الإخراج التفاضلية المتزامنة مع المصدر، والتي يمكن تهيئتها بمرونة لدعم LVDS، وSLVS، وsubLVDS، وOpenLDI وغيرها من واجهات الفيديو التفاضلية منخفضة إلى متوسطة السرعة المستخدمة بشكل شائع في الرؤية الصناعية. وهو متوافق مع الكاميرات الصناعية التقليدية وشاشات العرض الصناعية ووحدات التقاط الرؤية القديمة، مما يضمن إمكانية التشغيل البيني للبروتوكول بين معدات الرؤية الجديدة والقديمة. كما أنه يدمج واجهات الاتصالات الصناعية ذات الأغراض العامة مثل SGMII، وRGMII، وPCIe، وUSB 3.0، وI²C، وSPI، وUART، مما يسهل تبادل البيانات بسلاسة مع MCU المضيف، وEthernet الصناعي، وأجهزة الكمبيوتر المضيفة، ووحدات التخزين الخارجية وأجهزة الاستشعار. يتيح ذلك إنشاء نظام رؤية مدمج وشامل يشمل "اكتساب الرؤية - التجسير والتحويل - المعالجة في الوقت الفعلي - تحميل البيانات". تسمح قدرته على التوصيل السلس متعدد البروتوكولات لهذا الجهاز بالعمل كشريحة جسر بروتوكول خالصة، لتحل محل شرائح ASIC التقليدية المخصصة للجسر، مع استيعاب التوسع المستقبلي لقوة حوسبة معالجة الرؤية. وهذا يحقق وظائف متعددة في شريحة واحدة، مما يبسط اختيار شرائح الأجهزة ويقلل من تعقيد تصميم الدوائر للنظام بأكمله.

رابعا. المزايا التنافسية الأساسية وضمان الموثوقية من الدرجة الصناعية للليفكل-40-8BG400I

بالمقارنة مع حلول FPGA المنافسة وشرائح التوصيل التقليدية المخصصة، يوفر LIFCL-40-8BG400I أربع مزايا أساسية لا يمكن استبدالها في تطبيقات رؤية مدمجة محددة. أولاً، إنها توفر قدرة استثنائية على التكيف مع استهلاك الطاقة المنخفضة. تحافظ عملية FD-SOI مقاس 28 نانومتر، جنبًا إلى جنب مع تقنية إدارة الطاقة الديناميكية، على استهلاك الطاقة عند مستوى مائة مللي واط أثناء عمليات المعالجة المسبقة للرؤية القياسية - وهو أقل بكثير من استهلاك FPGAs للأغراض العامة مع قوة حوسبة مكافئة. وهذا يجعله مثاليًا لأجهزة الرؤية المحمولة التي تعمل بالبطارية ومحطات رؤية الحافة غير المراقبة التي تتطلب تشغيلًا طويل الأمد ومنخفض الطاقة. ثانيًا، إنه يوفر موثوقية عالية ومناعة صناعية ضد التداخل. تشير اللاحقة "I" إلى مواصفات من الدرجة الصناعية، مما يدعم التشغيل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. إنه يتحمل التداخل الكهرومغناطيسي والتقلبات الشديدة في درجات الحرارة والظروف القاسية للتشغيل المستمر طويل الأمد في البيئات الصناعية. ومع انخفاض معدل الأخطاء البسيطة بشكل كبير، فإن الاستقرار التشغيلي للجهاز يتجاوز بكثير استقرار FPGAs التجاري القياسي، وبالتالي تقليل معدلات فشل المعدات في الموقع وتكاليف الصيانة اللاحقة.

ثالثًا، إنها توفر التطوير المريح والإنتاج الضخم الفعال. وهو متوافق تمامًا مع برنامج تطوير FPGA المخصص لشركة Lattice's Radiant™ ويأتي مع مجموعة كبيرة من التصميمات المرجعية الرسمية ونواة IP لجسر الرؤية المضمن والمعالجة المسبقة للصور واستدلال الذكاء الاصطناعي للحافة. لا يحتاج المطورون إلى بناء منطق البروتوكول من الصفر على المستوى المنخفض؛ بدلاً من ذلك، يمكنهم استخدام IP الناضج بشكل مباشر لإكمال التكوين الوظيفي ونشر الخوارزمية بسرعة، مما يؤدي إلى تقصير الدورة بشكل كبير من النماذج الأولية للمنتج إلى الإنتاج الضخم. رابعًا، يقدم قيمة ممتازة مقابل المال مع تكاليف يمكن التحكم فيها. يركز تخصيص موارد الجهاز بدقة على سيناريوهات الرؤية الأساسية، مما يؤدي إلى التخلص من الهدر الناتج عن موارد الحوسبة المتطورة الزائدة عن الحاجة. بفضل انخفاض تكاليف شراء الرقائق وتصميم الدوائر الطرفية المبسط للأجهزة، تظل التكلفة الإجمالية لقائمة مكونات الصنف (BOM) قابلة للتحكم. فهو يجمع بين مرونة قابلية البرمجة والمزايا المنخفضة التكلفة للإنتاج الضخم لـ ASIC، مما يجعله مناسبًا للنشر الصناعي على نطاق واسع.

5. التكيفLIFCL-40-8BG400Iلتعميم سيناريوهات تطبيق الرؤية المدمجة

من خلال الاستفادة من ميزاته الشاملة - بما في ذلك قدرات التوصيل القوية، والاستهلاك المنخفض للطاقة، والموثوقية العالية، والحجم الصغير، وقدرة الحوسبة المعتدلة -ليفكل-40-8BG400Iوهو قابل للتكيف على نطاق واسع مع مختلف سيناريوهات تطبيق الرؤية المدمجة متوسطة المدى، مما يدل على قدرة استثنائية على التكيف في التنفيذ العملي. في مجال رؤية الآلات الصناعية، فهو بمثابة الجسر الأساسي للحصول على بيانات الفيديو متعددة القنوات من الكاميرات الصناعية، مما يتيح تحويل بروتوكول MIPI/LVDS لكاميرات صناعية متعددة، والمعالجة المسبقة لبيانات الصور في الوقت الفعلي، واستدلال الذكاء الاصطناعي خفيف الوزن لاكتشاف العيوب. وهذا يسهل التصغير والتحديث منخفض الطاقة لمعدات الفحص البصري لخطوط الإنتاج الصناعي، وفرز المواد، ومراقبة حالة المعدات. وفي مجال الرؤية الذكية داخل السيارة، فهو يدعم أجهزة مثل كاميرات الرؤية المحيطية، وكاميرات القيادة، وأنظمة المراقبة داخل المقصورة، والتعامل مع توصيل وإعادة توجيه الفيديو عالي الوضوح متعدد القنوات، وتقليل تشويش الصورة والمعالجة المسبقة، والتعرف على الهدف خفيف الوزن لمساعدة السائق. إنه يلبي المتطلبات الصارمة للمعدات الموجودة داخل السيارة، بما في ذلك التشغيل في درجات الحرارة القصوى والموثوقية العالية وزمن الوصول المنخفض للتمهيد.

في مجال الأمن الذكي ومحطات الرؤية الطرفية، فإنليفكل-40-8BG400Iيمكن استخدامها في الكاميرات الذكية المنزلية ومحطات المراقبة الأمنية صغيرة الحجم وبوابات حافة التعرف على الشكل البشري. فهو يتيح الحصول على بيانات الفيديو وترميزها، واكتشاف الشكل البشري المحلي، واكتشاف الحركة، والتعرف على السلوك غير الطبيعي من خلال استنتاج الذكاء الاصطناعي. دون الحاجة إلى قوة الحوسبة السحابية، يتم إكمال المعالجة المرئية واتخاذ القرار محليًا، مما يقلل من ضغط نقل الشبكة ومخاطر أمن البيانات. في مجال أجهزة الرؤية المحمولة المدمجة بالذكاء الاصطناعي، فهي مناسبة للمعدات التي تعمل بالبطاريات مثل أدوات الفحص البصري المحمولة، ومسح الباركود الصناعي المحمول باليد ومحطات قياس درجة الحرارة، وأجهزة الرؤية التعليمية التفاعلية. بفضل استهلاكه المنخفض للغاية للطاقة، فإنه يطيل عمر بطارية الجهاز بينما يتعامل في نفس الوقت مع جسر البيانات المرئية والمعالجة في الوقت الفعلي، مما يحقق التوازن بين قابلية النقل والوظائف العملية.