賽靈思SoC賦能工業(yè)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

      日前，“賽靈思工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研討會(huì)”在京舉行。公司ISM（工業(yè)、視覺(jué)、醫(yī)療和科學(xué)）部門的市場(chǎng)總監(jiān)Chetan Khona接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪。

      Khona先生指出，當(dāng)前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)(HcIoT)面臨諸多挑戰(zhàn)，并探討了時(shí)下熱門的AI云端和邊緣技術(shù)特點(diǎn)，稱賽靈思的SoC解決方案——Zynq及Zynq UltraScale+系列滿足了當(dāng)前的需求，接下來(lái)的2020年上半年，還將會(huì)推出新一代Versal，帶有AI Edge版本，以滿足未來(lái)ISM的需要。 

      1  Xilinx增長(zhǎng)率達(dá)24%

      Xilinx 1984年成立，是全球首家無(wú)晶圓半導(dǎo)體（fabless）企業(yè)，2019財(cái)年?duì)I收30億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)24%。ISM部門占公司1/4的營(yíng)收。

      公司的產(chǎn)品質(zhì)量高，從2011年到2018年期間達(dá)到了0召回（如下圖）。而且使用壽命也很長(zhǎng)，Xilinx產(chǎn)品有最低15年的生命周期，有些甚至達(dá)二三十年。

      可見(jiàn)Xilinx公司財(cái)務(wù)健康，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性高，能夠滿足ISM/嵌入式的需要。

      2  工業(yè)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)

      IIoT和HcIoT的共同特點(diǎn)是數(shù)據(jù)爆炸，例如每年創(chuàng)建2.5艾字節(jié)數(shù)據(jù)，全球90%的數(shù)據(jù)產(chǎn)生于過(guò)去兩年，2019年AI領(lǐng)域?qū)⑹褂贸^(guò)60堯字節(jié)的數(shù)據(jù)。所以Xilinx的核心是幫助客戶有效地利用數(shù)據(jù)。

      IIoT的熱門應(yīng)用之一是預(yù)測(cè)性維護(hù)（如下表），可以最大限度地減少停機(jī)時(shí)間。其次還有分析，可以實(shí)現(xiàn)深刻見(jiàn)解。再有是連接性，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和OTA（空中下載）更新。

      比工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更重要的是醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，因?yàn)樗罱K改善了人們的生活質(zhì)量，例如減少醫(yī)院病房的等待時(shí)間（如下表），通過(guò)AI提升診斷效率和質(zhì)量，通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控讓一些有條件的患者無(wú)需占用病床的床位、而是得到居家的醫(yī)療監(jiān)控。

      不過(guò)，IIoT和HcIoT也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，例如隱私、隨時(shí)間推移的越來(lái)越高的安全性、時(shí)延、成本、可靠的連接。工廠和醫(yī)院都是昂貴的資產(chǎn)，有效的投資可提高投資回報(bào)率。賽靈思（Xilinx）的解決方案有靈活和自適應(yīng)（例如，根據(jù)客戶的需要，可在器件端和云端提供計(jì)算資源）特點(diǎn)。

      工業(yè)時(shí)延的起碼要求是最低10ms。從新出現(xiàn)的“數(shù)據(jù)重力”和“數(shù)據(jù)慣性”術(shù)語(yǔ)所知，處理需要推送到數(shù)據(jù)所在的地方（如下圖），因此Xilinx ISM部門的建議是：在數(shù)據(jù)的邊緣處理，效率和效能最佳。

      如圖1右是一個(gè)平臺(tái)，現(xiàn)在有很多嵌入式的工程師團(tuán)隊(duì)都會(huì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這和十年前或者更早的情況（圖1左）形成了鮮明的對(duì)比。十年或者更早以前，經(jīng)常在一個(gè)公司內(nèi)部就有多個(gè)工程師團(tuán)隊(duì)，而且他們?cè)谠O(shè)計(jì)方面會(huì)做獨(dú)立的決策，例如一個(gè)團(tuán)隊(duì)選擇PPC、VxWorks、CAN，還有的選Arm、Linux、MQTT，還有一個(gè)選x86、Windows、OPC UA，他們之所以能夠自主的選擇這些系統(tǒng)，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)這些系統(tǒng)非常的簡(jiǎn)單。

      但是現(xiàn)在這些系統(tǒng)不再那么簡(jiǎn)單了，例如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)雖然非常強(qiáng)大，但是越來(lái)越復(fù)雜，這也使得工程師團(tuán)隊(duì)越來(lái)越多地選擇公共平臺(tái)。因?yàn)楝F(xiàn)在工業(yè)界出現(xiàn)了一個(gè)趨勢(shì)，也就是IT、OT的融合，信息技術(shù)和操作技術(shù)的融合。IT指的是像思科和華為這類的企業(yè)，OT是西門子等自動(dòng)化領(lǐng)域的企業(yè)，對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，越來(lái)越多的是需要把這些能力集成到單個(gè)器件上。

       所以這個(gè)過(guò)程現(xiàn)在非常復(fù)雜，這種嵌入式的設(shè)計(jì)不僅是要做軟件和硬件的開(kāi)發(fā)，而且云的開(kāi)發(fā)者也希望能夠連接這些信息，來(lái)收集這些器件的信息，所以如果還是按照原來(lái)的方法，所有人選用不同的處理架構(gòu)、操作系統(tǒng)和連接標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)云開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)這就太困難了，需要不斷地去進(jìn)行調(diào)整和改變，所以如果他們能夠有一個(gè)公共的架構(gòu)和平臺(tái)，這樣能夠幫助他們非常迅速簡(jiǎn)易地去開(kāi)發(fā)給自己公司使用的SaaS（軟件即服務(wù)）產(chǎn)品，即能夠創(chuàng)造一個(gè)新的收入流。

      這也是為什么很多客戶選擇Zynq和Zynq UltraScale+ SoC的原因，因?yàn)橘愳`思能夠提供一個(gè)功能非常強(qiáng)大的平臺(tái)，例如 Zynq SoC 中的Arm系統(tǒng)就能夠?yàn)樵崎_(kāi)發(fā)提供服務(wù)，同時(shí)還能提供IT和OT的支持，以及提供FPGA的定制化，所以“工業(yè)性能+定制功能”，使賽靈思的產(chǎn)品非常有吸引力。

      這不僅是理論，而且已實(shí)際發(fā)生了。例如在中國(guó)，Zynq SoC已有成功案例，例如南瑞繼保，其解決方案已通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)認(rèn)證。

      值得一提的是，Xilinx并不認(rèn)為邊緣和云端計(jì)算是對(duì)立的（電子產(chǎn)品世界的記者認(rèn)為隱含的意思是：Xilinx的ISM部門重點(diǎn)是邊緣計(jì)算，另外，Xilinx還有云計(jì)算部門），由于Zynq和Zynq UltraScale+的靈活性和自適應(yīng)性，都是跨邊緣和云的可擴(kuò)展IIoT平臺(tái)（如下圖）。

      3   Xilinx工業(yè)和視覺(jué)解決方案

      有三大類：IIoT和HcIoT解決方案堆棧，Alveo加速器卡為工業(yè)PC加速，互補(bǔ)的邊緣與云協(xié)作。

      3.1  AI解決方案

      AI分為大AI和小AI之分，或稱為重量級(jí)AI和輕量級(jí)AI。Xilinx都有方案。

      大AI可實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高性能的DNN的解決方案（如下圖）。

      小AI有基于Python的經(jīng)典機(jī)器學(xué)習(xí)的開(kāi)源解決方案，諸如PYNQ（Python Productivity For Zynq）和pandas等。值得一提的是，Python語(yǔ)言深受年輕人喜歡。

      邊緣AI方面，Xilinx于2018年收購(gòu)了深鑒科技公司，帶來(lái)了模型剪枝技術(shù)（如下圖），提高了效率。因?yàn)殡S著AI發(fā)展，計(jì)算的位數(shù)在不斷降低，過(guò)去公認(rèn)是16位，現(xiàn)在公認(rèn)是8位浮點(diǎn)、8位定點(diǎn)，未來(lái)可能縮減到2位（BNN）。利用模型剪枝技術(shù)，可把不必要的數(shù)據(jù)先去除，因此相同精度下可提升6倍fps（幀每秒）。可見(jiàn)，Xilinx可以支持這種位數(shù)不斷降低的發(fā)展趨勢(shì)，而很多友商只有一種位數(shù)處理方法，例如16位或8位，不夠靈活。

      曠世公司是Zynq SoC的用戶，用于前端攝像頭設(shè)備，不僅功耗低，而且識(shí)別效率一流。

      3.2  Alveo加速器卡為工業(yè)PC加速

      Alveo加速器卡可用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃：這需要大量計(jì)算，例如有人撓了機(jī)器人的頭一下，這看似一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，但是機(jī)器人要大量計(jì)算，把無(wú)效的人的動(dòng)作剔除。

      一個(gè)Alveo加速器卡可控制8臺(tái)機(jī)器人。

      Alveo U200加速器卡的一個(gè)鮮活案例是上海聯(lián)影科技，用于醫(yī)療CT機(jī)。

      3.3  邊緣與云端互補(bǔ)協(xié)作

      在云端，很多連接是時(shí)斷時(shí)續(xù)的，因此邊緣計(jì)算很重要。因此云廠商重視嵌入式端，例如Amazon aws雇傭了FreeRTOS作者，推出Amazon FreeRTOS微控制器(MCU)操作系統(tǒng)；微軟前不久也收購(gòu)了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)公司Express Logic。

      現(xiàn)在，越來(lái)越多的ISM客戶選擇Xilinx的Zynq及Zynq UltraScale+方案，因?yàn)樗鼈兛蓪?shí)現(xiàn)跨邊緣計(jì)算和云的可擴(kuò)展IIoT平臺(tái)。

      例如精鋒微控的智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)與控制平臺(tái)，用一個(gè)Zynq SoC取代了二十多個(gè)芯片和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，只有1/6的尺寸和1/5的成本。此外，邁瑞、海康威視也是Xilinx的用戶，因?yàn)閆ynq及Zynq UltraScale+具有成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并且不會(huì)因此犧牲性能。

      4  下一代SoC產(chǎn)品

      Xilinx的下一代產(chǎn)品是ACAP（自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)）（如下圖）。

      具體的芯片品牌是Versal，如下圖?？扇牲c(diǎn)的是，2020年將推出Versal帶AI Edge的版本（如下圖），這將是Zynq及Zynq UltraScale+的繼任者，將實(shí)現(xiàn)每瓦AI高性能，其將采用收購(gòu)的深鑒的模型剪枝技術(shù)。