又一张王牌：赛灵思用SoC赋能工业和医疗物联网

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-05-31

在刚刚过去的2019财年，赛灵思（Xilinx）的年销售额突破了30亿美元，业绩同比增长24%。现在的赛灵思已经拥有60项行业第一，持有的专利数几乎与其全球员工数量相同，是一家真正意义上的创新性企业。尽管创新对于科技企业来说非常重要，然而对于工业和医疗客户而言，耐用性，也就是产品生命周期的长寿性更加重要，在这方面赛灵思同样赢得了客户的认可。“尽管赛灵思一直是以FPGA的发明者而著称，但是真正驱动我们在工业领域业务的是Zynq SoC。对于工业和医疗客户来说，尺寸和价格非常重要，赛灵思的SoC产品系列能在这些领域为客户提供更高的价值。”赛灵思公司工业、视觉、医疗及科学（ISM）市场总监Chetan Khona先生表示。

图1  Xilinx工业、视觉、医疗及科学（ISM）市场总监Chetan Khona先生

赛灵思的ISM包括工业、视觉、医疗、科学以及航天和军工，是赛灵思的第四大业务部门，业务收入占到公司总收入的1/4，而客户数目位列第一。多年来，通过Zynq SoC及Zynq UltraSale+ MPSoC 系列，赛灵思已经渗透到工业、医疗、视觉、科学等诸多领域。“打造灵活应变、万物智能的世界”是赛灵思公司的使命，那么，在打造灵活应变、万物智能的工厂、医院和城市上，赛灵思又有怎样的中国市场战略呢？

为工业和医疗物联网选择灵活应变的方案是上策

图2  赛灵思用先进的技术打造灵活应变的智能世界

工业和医疗物联网有一个共性趋势，那就是产生的数据呈爆炸性增长。5～10年前，数据大部分用于一些本地应用。今天，随着物联网时代的到来，越来越多的设备已经连接到网络上，如何使用这些数据成为巨大挑战。在工业物联网（IIoT）和医疗物联网（HcIoT）领域，每天将产生2.5艾字节（1018）数据。如何帮助客户尽可能高效且有效地利用数据成为赛灵思在该领域的战略核心。

灵活应变方案利于资产保值。Chetan Khona提出，数据能够带来很多的好处，以工业市场为例，第一，根据大数据分析可以做预测性维护，以尽可能降低工厂停工时间。第二，可以依据大数据做出资产分析，了解客户的购买习惯，从而创造新的收入流。第三，连接性。连接性是工业互联网的基础。OTA（Over-The-Air）的更新对于汽车行业尤其重要，对于工厂和医院来说也非常重要，因为工厂和医院的很多资产比较昂贵，如果能延长它们的生命周期和使用寿命，将有助于提高企业的资产利用率。目前市场上的解决方案大多是采用软件升级，只有赛灵思可以提供硬件+软件的灵活应变方案，并且性能非常出色。

现在，“云”的概念已经深入人心。因此很多物联网企业常常会选择将数据上传到云端去解决具体的问题。Chetan Khona表示，赛灵思并没有采用这种方案，而是根据最合理的方式来配置计算资源。如果问题能在设备端解决就会提供边缘计算方案，需要在云端解决的问题才会将数据上传至云端，并且赛灵思的方案还能解决设备端到云端之间的任何问题。一句话，赛灵思SoC 方案以灵活应变的架构支持工业物联网和医疗物联网市场独特的需求。

医疗大数据的隐私与安全问题是所有应用中敏感性最高的。另外，来自网络黑客的威胁并不是静态的，随着时间的推移，关于安全的威胁将不断加大。而医院的资产总是希望有更长的生命周期。Chetan Khona认为，区别于市场上其他解决方案，赛灵思SoC FPGA方案有两个突出优势，一是赛灵思解决方案不仅软件可升级，还能够对客户的硬件进行升级。二是方案中的数据保护遵守了很多全球性的标准。“在医疗数据上，我们主要遵守IEC62443标准。在网络安全上则主要遵守IEC61508标准。另外赛灵思还是工业安全联盟和网络安全委员会的成员。在设计Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC产品系列之初，我们就非常关注安全性问题，并不是设计好之后再附加的特点。无论是Zynq UltraScale+还是Znq-7000 SoC，产品均经过了多方面的评估，包括TüV等。除了芯片外，我们的软件和工具也经过了安全评估。虽然过程极其复杂，但是这些安全措施为赛灵思赢得了客户的信任。赛灵思SoC FPGA不仅是市场上唯一一款经过安全认证的方案，还支持边缘人工智能。”Chetan Khona表示。

反应时间是IIoT和HcIoT另一重要的关注点，并因此推动了边缘计算智能的发展。Dave McCrory和Lew Tucker分别提出了数据重力、数据惯性这两个术语，指的是在理想状态下数据的成本和有效性，以及效率的理想架构，这是与工业物联网和医疗物联网密切相关的两个概念。核心观点是指数据在哪里收集就应在哪里处理，只有这样才能达到效率和成本的最优化。如果将数据放到云端去存储和处理，将产生连接、存储、处理三个方面的成本。Chetan Khona给出了一个电厂的例子，其中仅电厂的云数据存储服务，每个月的成本就超过1.3万美元。如果在本地对这些数据进行处理，然后将处理完的数据上传到云端，即节省了成本，反应速度还能大幅提高。因此，赛灵思认为应该把智能定义在边缘，在边缘对数据进行处理。

IIoT和HcIoT还将改变开发者的创建方式。10年或者更早以前，一个公司内部常常会有多个工程师团队，在设计方面也是独立做决策，可能一个团队选择了PPC、VxWorks、CAN，另一个选择Arm、Linux、MQTT，其他的还可能选择x86、Windows、OPC UA，之所以能够自主选择，主要是因为当时的系统相对比较简单。随着系统越来越复杂，工程师团队需要一个产品线内部和跨产品线均可扩展的平台。“客户在构建IIoT和HcIoT时之所以首选Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC，是因为我们能够提供一个共性化的平台。比如Zynq SoC中的Arm内核可以为云开发提供服务，同时还能提供IT（信息技术）和OT（运营技术）的支持，以及FPGA的定制化，工业性能加定制功能使得我们的产品非常有吸引力。” Chetan Khona表示。

“千万不要认为上面所述仅仅是理论层面，在实践中确已发生，并且在中国有实际案例。” Chetan Khona特别强调。南瑞（NARI）是一家电力设备公司，提供电气控制、保护、合并和切换等业务，赛灵思Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC产品为其提供了一个出色的公共开发平台。

赛灵思工业与视觉解决方案总览

图3 赛灵思工业与视觉解决方案总览

赛灵思是一家半导体公司，对于工业物联网和医疗物联网用户来说，他们需要的是一个全套的、系列的解决方案，其中包括通过提供安全性的连接、控制、视觉、线路、软件和人工智能开发他们需要的产品。“赛灵思并不是所有领域的专家，因此我们会使用非常广泛的生态系统当中的专业、技术和知识能力，帮助我们的客户从赛灵思工业与医疗物联网解决方案堆栈中选择他们所需要的解决方案。”因时间原因，Chetan Khona只重点介绍了面向工业、视觉、医疗和科学应用的赛灵思边缘人工智能——赛灵思AI。

赛灵思AI是支持实现低时延、高性能的DNN解决方案，赛灵思去年通过并购北京深鉴科技获得了一些技术和能力，另有一些是通过与其他企业的合作，包括KORTIQ、HALCON、SiliconSoftware等，来增加内部的解决方案。Chetan Khona表示：“我们的AI一方面可与高性能的服务器进行竞争，也可以把它作为嵌入式器件。比如我们给出的解决方案Pynq （即Python + Zynq），这是我们几年前开发的开源产品，非常受年轻的工程师欢迎。它更像是一个开源社区，随着更多的大学毕业生进入工业领域，Python在工业领域的应用也会越来越多。”

在吞吐量、时延以及应用加速等AI计算性能上，赛灵思AI相比高端CPU和GPU也展现出明显的优势。Chetan Khona认为其中的秘诀有两点：一是赛灵思的架构非常灵活。无论是人工智能还是机器学习，其架构都是快速变化的，两年前人工智能推断最优的精度是16位浮点，现在大家认为8位定点是最优的。赛灵思AI能同时支持16位浮点和8位定点，并随着机器学习的不断创新而灵活应变。二是剪枝技术。当工程师创立一个模型时，会发现其中很多无用的节点对精度没有太大帮助，通过剪枝去除，就可以使系统从低性能转向高性能，然而精度并没有任何损失，功耗也有大幅降低。现在，知名的安全设备公司——旷视，已经开始使用赛灵思的边缘人工智能。

Alveo加速器卡是赛灵思的新产品，是一个集成的开发板。插入PC卡槽后，就相当于CPU的加速卡，加速性能非常明显。相比传统方案，数据库搜索和分析提速9 0倍、金融计算提速89倍、机器学习提速20倍、视频处理提速12倍、高性能计算和生命科学提速10倍。据Chetan Khona介绍，工业和医疗物联网均可使用Alveo加速器卡。在做机器人运动规划时，整个过程需要高强度的计算，Alveo加速器卡非常适合这种应用。Alveo加速器卡与一台PC配合就可以控制8个机器人。

在实际应用中，高延时和较大的带宽需求并不适合IIoT和HcIoT。为此，赛灵思还与亚马逊云服务进行合作，在AWS Greengrass框架下，将应用从云端移动到边缘。

如果说传统的器件提供了DSP和FPGA等通用功能，Zynq和Zynq UltraScale+ MSoC相当于集成了六大板块，包括通用处理器、DSP/GPU、模拟、GPGPU、Security处理器和Safty处理器。这种高度集成为客户提供了前所未有的价值。

工业领域的产品路线图

图4 赛灵思Versal路线图

FPGA、SoC、MPSoC、RFSoC、ACAP，是赛灵思完整的产品发展路线图，最新的ACAP相应地推出一个品牌系列——Versal，而Versal又包含6个子系列，包括今年推出的AI Core系列和Prime（基础版），以及Premium（旗舰版）、AI Edge、AI RF等。在工业领域最重要的是AI Edge系列，AI Edge强调的是一种能力，重点突出了低功耗和高性能，另外还能够提供非常好的机器学习和工业领域人工智能等性能，可以用于机器视觉、超声设备和超声手持等。

据Chetan Khona介绍，现在，Zynq和Zynq UltraScale+ MPSoC均部署了Edge AI，未来它会是Versal的一个子系列，并在每瓦性能上力争达到行业领先。可以肯定的是，Zynq UltraScale+ MPSoC将成为赛灵思系列产品中在工业物联网和医疗物联网市场最成功的产品。