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让笔记型电脑重获生机
 

【作者: 萊迪思半導體】2020年09月11日 星期五

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让笔记型电脑重获生机


文/莱迪思半导体


关键字/笔记型电脑、、、、


摘要:


由於FPGA能在现场重新程式设计,笔记型电脑的OEM厂商可以通过下载软体和固件更新,在硬体上实现新的应用,无需重新设计硬体,从而使其产品获得差异化优势。



@COVID-19新冠病毒的爆发让人们的工作状态发生了巨大变化,笔记型电脑市场也因此繁荣了起来。早在病毒蔓延全球之前,行业分析公司Gartner就曾在2020年1月指出:「Windows 10升级的强劲业务需求让PC市场自2011年以来首次出现增长,尤其是在美国、欧洲、中东和非洲(EMEA)以及日本市场。」


为了在日益兴盛的市场中保持竞争力,笔记型电脑的OEM厂商希??通过采用新技术和增添新应用来提高生产力,从而使其产品获得差异化优势。虽然其中许多技术最初是用於智慧手机等设备,但它们同样可以在笔记型电脑上大放异彩,使之一方面拥有成熟笔记型电脑的强大功能,另一方面又获得行动设备的便捷和安全性,并良好的适应周围环境。


笔记型电脑上的许多新功能都可以通过软体实现,但是这会缩短电池使用时间。为了解决这个矛盾,莱迪思半导体正着手开发基於硬体的方案,以极低的功耗实现更高的性能,同时由於采用了莱迪思的FPGA器件,为未来的升级提供了极大便利。由於FPGA能在现场重新程式设计,OEM厂商还可以通过下载软体和固件更新,在硬体上实现新的应用,而无需重新设计硬体。


笔记型电脑的使用不断增长

曾有人预测笔记型电脑将被智慧手机和平板电脑取代,然而由於工作环境的改变和新兴技术的发展,笔记型电脑的使用不降反增。云计算和无处不在的宽频连线意味着员工在工作场所之外也同样可以保证不错的生产力。由於笔记型电脑配备全尺寸键盘、高解析度显示幕和摄影镜头,通常是电子邮件、文字处理和视讯会议等商务生产力应用的首选。


尽管许多围绕省电和人工智慧(AI)的技术创新大多应用於智慧型手机平台,它们同样可以应用於笔记型电脑,且不影响其功耗。例如笔记型电脑的显示幕是主要耗电来源,我们可以对用户进行智慧监测,确定用户的注意力是否在电脑萤幕上,当使用者的注意力转移到别处时,可以自动降低萤幕亮度,从而大大延长电池寿命。这一应用已经在智慧手机上广泛使用,如今在笔记型电脑上也可以获得类似的体验。


AI日益普及

尽管AI仍是一个潜力无限的新兴领域,但它正不断向消费者展现其巨大价值。有些AI应用已经成为主流,用户也十分满意它们带来的便利。人脸辨识就是其中之一,特别是作为智慧型手机上的安全功能大行其道。它现在还广泛用於全球的机场,在旅客通过出入境关囗时追踪进入或离开该国的旅客。


在这几种情况下,摄影镜头都能人脸辨识,增强了电脑使用者(或进入某国的游客)对其身份判断的可信度。如今,消费者逐渐对AI体验感到满意,他们期??人脸辨识之类的智慧视觉功能,可以在笔记型电脑上得到更广泛的应用。


安全和隐私

桌上型电脑的安全和隐私固然十分重要,但是笔记型电脑则更甚。无论是用於工作还是个人使用,安全性和隐私(尽管在技术上属於不同的概念)可以视作一个要求,因为保护敏感性资料的安全性能需求与保证该资料私密性的需求密不可分。


我们都知道保护安全和隐私通常意味牺牲便捷。尽管那些繁琐的安全措施能够保护在公共区域使用的笔记型电脑,但是到了熟悉可控的环境中,例如工作场所或家里,这些措施会令人烦恼,甚至没有必要。


笔记型电脑可以使用AI来识别场景,这样做的好处就是它可以根据自身所处的位置调整安全设置。在家里使用时,由於客观风险较小,就可以调整设置更便於使用。相比之下,在咖啡厅里使用时,由於面对的是陌生的环境和人,可以自动提高安全设置。


当然,这不仅仅是检测笔记型电脑所处的环境那麽简单。负责扫描环境的摄影镜头还可以检测用户起身离开的动作,例如去倒咖啡或去洗手间。然後,电脑可以快速自我锁定,无需用户进行锁屏。同样,摄影镜头还可以检测到其他人从後方窥视使用者的萤幕,从而采取措施阻止未经授权的使用者观看萤幕。如今电脑入侵事件层出不穷,AI还可以?明监视电脑内部行为和活动,向用户报告任何的可疑事件。


以上列举了笔记型电脑的一些升级的案例,旨在满足现代工作者的需求和期??。由於篇幅有限,本文只涉及两种笔记型电脑的发展趋势:


· 即时线上和暂态启动的特性。主要目的是省电。


· 全新的笔记型电脑形态。这意味着可以将萤幕与机身分离、尝试全新的笔记型电脑形状或者折叠笔记型电脑和萤幕。


莱迪思FPGA(尤其是iCE40 UltraPlus和CrossLink-NX FPGA)以及用於即时线上网路边缘AI应用的Lattice sensAI解决方案集合提供了在未来的笔记型电脑中实现这些功能的有效途径。而且,其功耗要远远低於基於ASIC的方案。


即时线上和暂态启动

如今,笔记型电脑进入睡眠或唤醒状态只有三种操作方式:按下按钮(可能是用滑鼠),合上机盖或等待电脑进入睡眠。新款的笔记型电脑可能会通过语音命令唤醒。


笔记型电脑面临的主要问题在於其SoC晶片。SoC负责控制笔记型电脑中进行的各类活动,因此,它叁与电脑执行的绝大多数任务。SoC包含CPU核心,可能还包括其他处理电路和外设电路,它在工作时会消耗大量能量。


由於SoC叁与了笔记型电脑的大量活动,因此在系统(尤其是SoC)休眠时,电脑几??无法处理任何任务。睡眠期间可用的功能就是和唤醒系统相关的选项。其他任务都无法在睡眠的系统上运行。在某些情况下,如果需要处理特定的任务(如下载电子邮件、网路监控等),工作功率会达到100毫瓦,大大减少了电池使用时间。


如果笔记型电脑拥有回应感测器信号的AI功能,那麽即使SoC处於睡眠状态,电脑也可以执行许多工。AI功能可以在SoC睡眠时工作或做出决策,要麽唤醒SoC开展进一步的工作,要麽让SoC保持睡眠状态,让AI处理所需完成的任务。低功耗FPGA是实现AI功能的理想硬体平台。它们拥有足够的处理能力执行基本的AI任务(例如存在检测),功耗却比SoC低得多。如果AI确定需要SoC叁与任务,则将其唤醒,配合AI进行处理或采取其他措施。



图一
图一

莱迪思sensAI解决方案集合可搭载iCE40 UltraPlus、ECP5和CrossLink-NX FPGA,轻松实上述AI功能。但是目前为止,此类AI大多应用於物联网(IoT)设备。例如,智慧门铃可能具有以下功能:


· 检测人员和其他物体(如包裹)的存在。


· 检测和/或识别出特定的人脸或人。可以是注册为授权使用者的特定人员(例如房屋的居住者),也可以是经常路过门铃摄影镜头的人员,例如身穿制服的快递员或园丁。


· 理解一些手势或语音命令。将面部识别与语音关键字或密码验证相结合,可以实现双重身份验证登录,提高安全性。


· 利用相容各类感测器的推理引擎来最大程度地减少传输到云端资料。


在此类应用中,莱迪思FPGA能够在SoC不工作的状态下,在更低功耗下提供比独立CPU更高的性能,因为CPU必须通过软体执行任务,而FPGA采用效率更高、基於硬体的实现。例如,控制智慧门铃或监控摄影镜头的CPU每秒可处理1-2帧,而功耗却高达100 mW。莱迪思iCE40 UltraPlus FPGA在7 mW功耗下每秒可处理5帧,性能为前者的3-5倍,功耗仅为前者的十四分之一。


如果莱迪思的sensAI解决方案可用於智慧门铃或监控摄影镜头,则同样适用於笔记型电脑,实现以下功能:


· 检测使用者何时观看萤幕。当使用者的视线离开萤幕时,调暗萤幕节省电量;注意力重新聚焦萤幕时,增加萤幕亮度。


· 根据笔记型电脑所处的位置调整安全设置。


· 检测使用者的视线方向。这可以简化通常需要滑鼠的任务。眼部跟踪可以避免手动操作某些频繁出现的任务。


· 优化图形渲染的功耗。可以着重渲染使用者正在观看的萤幕部分。其馀部分保持相对模糊或较低的渲染效果,从而节省电量,直到使用者视线转移到萤幕的其他部分。


· 通过玩家的眼睛移动影响游戏的叙述轨迹。


· 检测是否有人在用户背後偷窥。


· 没人使用笔记型电脑时,调暗萤幕以节省电量。


下面的示意图说明了莱迪思iCE40 UltraPlus FPGA如何分担笔记型电脑SoC的一些AI处理工作。



图二
图二

在此设计中,感测器介面收集各个感测器的输入,在FPGA的神经网路(NN)加速器中进行处理,并在片上SRAM储存处理神经网路所需的权重和启动值。如果需要进一步处理,加速器则做出决策,唤醒SoC。


AI功能的构建采用莱迪思sensAI解决方案集合的各种资源以及iCE40 UltraPlus和CrossLink-NX FPGA。设计人员可以使用完善的软体工具和整套设计工具,进一步调整在Caffe、Keras、MobileNet、ResNet、SSD和TensorFlow等主要架构上训练的网路。sensAI包括叁考设计、演示板、IP核和硬体平台,可用于开发各类常见的AI应用(例如存在检测、物件计数、脸部辨识等)。莱迪思还提供客制化服务,让开发人员快速实现AI功能,而无需全方位学习如何开发和实现AI应用。



图三
图三

减少信号数量,迈入全新形态

现代笔记型电脑面临的第二个挑战是如何超越传统的外观。这涉及到笔记本的灵活性,例如从中间将萤幕折叠将其收起。笔记型电脑的设计面临着大量信号传输的难题,这些信号又涉及到众多协定。


一种简单的处理方法是通过信号聚合来减少信号数量。可以将多个低频宽介面复用到单个更高频宽的信号上,然後再进行解复用,大大优化了笔记型电脑的布线。它使电路板之间的连接更简单,还能简化电路板上的布线,还意味着能够大大减少穿过铰链或其他柔性元件的线路。并且由於减少了连接器数量,可靠性也得到增强。


信号聚合可以在单线或一对LVDS上实现。莱迪思的FPGA可以提供诸多性能选择来传输这些信号,从而为最高效的设计实现提供方案。例如,一片iCE40 UltraPlus FPGA可以以在单线上实现7 Mbps的传输速率。使用更高性能的莱迪思FPGA,可以实现更高的频宽聚合速度。


然而,问题在於不同的信号可能采用不同的协定进行传输,可以通过类似於感测器集线器(Hub)的I/O 集线器来解决这一难题。该集线器可聚合不同类型的本地I/O信号,并将其复用到数量较少的高速线路上。这些线路连接另一端的I/O集线器,信号在此被还原为最初的协议类型。



图四
图四

莱迪思的FPGA提供用於接收I/O信号并传输多工信号的物理硬体。莱迪思还提供用於构建I/O集线器的IP。信号聚合可适用各类感测器,因此不同类型的感测器(RGB、IR、雷射雷达、雷达等)资料流程或通过不同汇流排类型(I2C、I2S、UART、GPIO)传输的信号可以聚合在同一引脚或线路上。莱迪思在智慧型手机的信号聚合方面长期积累了丰富的经验,这些同样适用於笔记型电脑上的感测器聚合应用。


协助打造未来的笔记型电脑

工程师们正努力开发全新的笔记型电脑,为用户提供类似智慧型手机和平板电脑的使用体验。与今天的产品相比,未来的笔记型电脑将更易於使用、电池寿命更长并且更加安全。


功耗和外形尺寸方面的改进将最为显着。笔记型电脑将通过节电技术,让用户可以连续使用一整天或更长时间。它们还将变得更加灵活、便携。


而莱迪思FPGA将是笔记型电脑实现这些新功能的关键。在SoC之外处理工作可延长SoC的睡眠状态,仅在需要使用其计算能力时才将其唤醒,这将大幅降低功耗。在硬体上实现AI以及感测器集线器,可以连接多个摄影镜头、麦克风和其他感测器,意味着SoC停止工作的时间更长。聚合多路信号的I/O集线器有助於减少信号数量,实现基於AI的感测器聚合,笔记型电脑的构建因此更加简单,还能提供更丰富的用户体验。


莱迪思的FPGA为这些集线器提供了硬体平台,sensAI解决方案集合则使AI功能更易实现。两者结合可以帮助开发人员制造更轻便、功耗更低的笔记型电脑,为2020年代的企业和个人用户提供更强大的生产力工具。


叁考资料


[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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