基于FPGA的嵌入式AI解決方案中EdgeBoard硬件設(shè)計與解析是怎樣的

基于FPGA的嵌入式AI解決方案中EdgeBoard硬件設(shè)計與解析是怎樣的，很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學(xué)習(xí)下，希望你能有所收獲。

EdgeBoard是基于FPGA打造的嵌入式AI解決方案，能夠提供強大的算力，并支持定制化模型，適配各種不同的場景，并大幅提高設(shè)備的AI推理能deeplab力，具有高性能、高通用、易集成等特點。

EdgeBoard系列計算卡符合工業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、滿足-40℃~85℃的溫度范圍，接口齊全，可廣泛適配如安防監(jiān)控、工業(yè)質(zhì)檢、醫(yī)療診斷、科研教學(xué)、智能零售等各種場景。

EdgeBoard產(chǎn)品分為三個系列，稱之為“三兄弟”，能夠滿足客戶不同的需求，既有滿足高性能計算的方案，也有高性價比的處理方案。本文將從“三兄弟”的特點及整體硬件框架兩個方面來介紹EdgeBoard。

1.為什么EdgeBoard使用FPGA

理想的異構(gòu)計算平臺應(yīng)該具備三種基本能力：首先專有的硬件加速能力，提高算法的性能；其次高效靈活適配算法的能力，適配不斷演進的算法；最后豐富的外圍接口，適合不同的應(yīng)用場景。

CPU作為通用處理器，以邏輯計算作為出發(fā)點，更偏重控制流數(shù)據(jù)，適用于控制和調(diào)度類任務(wù)，不易于進行外圍電路的擴展。GPU具有并行計算的特點，廣泛應(yīng)用在訓(xùn)練階段，但由于功耗大、成本高等原因，少有部署在端上的產(chǎn)品，另外高延遲及缺少對外圍電路的支持也不利于部署到端上的產(chǎn)品中。ASIC作為一種專用集成電路芯片，具有體積小、功耗低、計算性能高等特點，但AISC芯片研發(fā)時間長，資金投入大，由于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對固定，無法適配快速演進的AI算法，在應(yīng)用場景沒有明確之前ASIC顯然不是最優(yōu)的選擇。

FPGA作為一種現(xiàn)場可編程門陣列，具有低功耗、低延遲、高性能等優(yōu)勢，其可編程的特性又可以靈活適配不同的算法，同時FPGA豐富的外圍接口可以滿足不同的應(yīng)用需求，F(xiàn)PGA差異化的內(nèi)部邏輯資源可以提供不同的算力支持，這些優(yōu)勢使得FPGA被廣泛應(yīng)用在AI推理加速上。

2.EdgeBoard計算卡介紹

2-1 概述

EdgeBoard是基于Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC系列芯片打造的計算卡，芯片內(nèi)部集成ARM處理器+GPU+FPGA的架構(gòu)，既具有多核處理能力、也有視頻流硬解碼處理能力，還具有FPGA的可編程的特點。內(nèi)置Linux 4.14.0系統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)預(yù)裝環(huán)境，與百度大腦模型定制平臺（AIStudio、EasyDL、EasyEdge）深度打通，實現(xiàn)模型的訓(xùn)練、部署、推理等一站式服務(wù)。

EdgeBoard計算卡產(chǎn)品可以分為FZ9、FZ5、FZ3三個系列，是分別基于XCZU9EG、XAZU5EV、XAZU3EG研發(fā)而來，分別具有高性能，硬解碼，低成本等特點，針對不同需求和應(yīng)用場景，有不同的市場定位和產(chǎn)品定位，滿足各類開發(fā)者多樣性的需求。

2-2 FZ9系列計算卡

EdgeBoard FZ9系列計算卡是基于XCZU9EG芯片的高性能計算卡，具有較高的性能和集成功能。ZU9芯片PS端具有四核Cortex-A53和雙核Cortex-R5 以及Mali-400MP2 GPU；PL端資源DSP Slices 2520，計算性能達3.6Tops，片上存儲BRAM高達32.1Mb。

FZ9計算卡產(chǎn)品采用核心板+擴展板的雙層設(shè)計方案，增加了對外接口的數(shù)量，其80*120mm的尺寸方便計算卡集成于到產(chǎn)品中，具備軟硬一體的解決方案（軟件+FPGA），支持多種視頻源（usb、mipi、bt1200、網(wǎng)絡(luò)攝像頭）的輸入，并具有強大的視頻預(yù)處理能力，視頻輸出DisplayPort接口兼容標(biāo)準(zhǔn)Linux視頻框架V4L2。高性能的視頻處理能力和標(biāo)準(zhǔn)化的視頻輸出接口可滿足機器學(xué)習(xí)、醫(yī)療診斷等行業(yè)需求。

EdgeBoard FZ9計算卡

2-3 FZ5系列計算卡

EdgeBoard FZ5系列計算卡是基于XAZU5EV芯片的計算卡，提供較高性能和功能集成，具有多路視頻流H264&H265標(biāo)準(zhǔn)的編解碼功能。ZU5芯片PS端同樣包含四核Cortex-A53 、雙核Cortex-R5、以及GPU Mali-400MP2；PL端資源DSP Slices 1248，計算性能達2.4Tops，片上存儲BRAM達5.1Mb，UltraRAM 18Mb。

FZ5計算卡產(chǎn)品延續(xù)了FZ9計算卡的產(chǎn)品形態(tài)，采用核心板+擴展板雙層設(shè)計方案，具有多視頻輸入接口，VCU（Video Codec Unit）硬核解碼，對視頻的輸入處理采用流水線設(shè)計，實現(xiàn)高吞吐量和低時延，具有極佳的功耗性能比。產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于具有硬解碼需求的視頻圖像推理，滿足安防監(jiān)控、工業(yè)質(zhì)檢、自動駕駛等行業(yè)需求。

EdgeBoard FZ3計算卡

3.EdgeBoard框架及性能介紹

3-1 MPSoC系統(tǒng)框架

Zynq UltraScale+ MPSoC架構(gòu)提供頻率高達1.5GHz的四核Cortex?-A53 高效 64位 ARMv8 應(yīng)用處理器、具有雙核 ARM? Cortex?-R5 600MHz的實時低功耗協(xié)處理器，以及ARM? Mali?-400MP2 GPU達到667MHz，同時EV系列還包含 H.265/H.264 視頻編解碼器單元，可提供原生 UltraHD 壓縮及專用引擎，滿足動態(tài)電源管理與安全配置需求。Zynq UltraScale+ MPSoC平臺系統(tǒng)頂層框圖如下：

MPSoC平臺系統(tǒng)框架

3-2 EdgeBoard計算卡配置比較

基于MPSoC平臺系統(tǒng)頂層框圖，EdgeBoard計算卡的系統(tǒng)框架設(shè)計如下：

EdgeBoard計算卡系統(tǒng)框架

EdgeBoard計算卡在配置方面，擁有4GB 和2GB 的不同DDR4內(nèi)存配置版本，存儲支持8GB eMMC，256MB NOR Flash，8Kb EEPROM，具有多路視頻（usb、mipi、bt1200、網(wǎng)絡(luò)視頻）輸入接口，同時為滿足開發(fā)者調(diào)試便捷性，支持TF Card系統(tǒng)盤啟動。

EdgeBoard計算卡的整體配置比較：

EdgeBoard軟核仍在持續(xù)升級，性能也將同步提升。不同版本的網(wǎng)絡(luò)模型對算力要求不同，針對具體項目應(yīng)用需求，可進行定制優(yōu)化。

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