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By Joe Lin, General Manager, Industrial Computing Solutions, NEXCOM
復(fù)雜可視化處理逐步成為許多惡劣工業(yè)應(yīng)用中不可或缺的一部分。工業(yè)生產(chǎn)線的自動光學(xué)檢測（automated optical inspection，AOI），石油煉制行業(yè)的紅外熱成像（infrared thermography，IRT），以及交通安全強(qiáng)化等都是通過圖像和視頻處理提高質(zhì)量，提升效率，加強(qiáng)安全的實(shí)例。惡劣環(huán)境下的圖像化處理并非一帆風(fēng)順。 大多數(shù)應(yīng)用都屬于資源密集型，并涉及許多2D和3D圖像處理。 惡劣的環(huán)境因素要求無風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方案降低了功耗，但同時對系統(tǒng)散熱提出了挑戰(zhàn)。 客戶迫切需要一款低成本的小型系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在為此而努力。
幸運(yùn)的是，第三代Intel® Core™系列處理器有助于戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)。本文詳細(xì)介紹了這種新型處理器大大增加的圖像、計(jì)算以及輸入輸出I/O吞吐能力如何與新的節(jié)能特性完美結(jié)合，從而在苛刻的熱限條件下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的可視化計(jì)算。本文還將介紹開發(fā)者如何將緊湊堅(jiān)固的系統(tǒng)搭載到NEXCOM NISE 3600E中，它是一種最先進(jìn)的無風(fēng)扇嵌入式計(jì)算機(jī)，專為要求高性能，處理大量圖形的應(yīng)用設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：顯卡性能
可視化計(jì)算應(yīng)用多種多樣，但這類應(yīng)用都有一個共同點(diǎn)，即幫助操作者獲得更好的計(jì)算結(jié)果。例如，AOI的應(yīng)用范圍廣泛，從印刷電路（printed circuit board，PCB）生產(chǎn)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都不可或缺。 AOI系統(tǒng)采用一個或多個攝像頭，用以掃描產(chǎn)品的缺陷和色差，并將掃描結(jié)果提供給操作者。在這一過程中，處理器和顯卡性能都十分關(guān)鍵：高性能的處理器有助于AOI系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)十分微小的缺陷，從而有利于提高生產(chǎn)線的產(chǎn)能。類似的，高分辨率、多顯示輸出端有助于操作者更好的理解檢測結(jié)果，并在必要時迅速采取措施。
當(dāng)然，IRT也可以實(shí)現(xiàn)上述功能。IRT使用在諸如石油煉制行業(yè)中確定燃油液位或檢測機(jī)器部件過熱等應(yīng)用中（如圖1所示）。 IRT也可應(yīng)用于消防、建筑及理療診斷領(lǐng)域。 強(qiáng)大的處理器使得IRT系統(tǒng)可以更加自動化地分析任務(wù)；更優(yōu)秀的顯卡使操作者可以更輕松地監(jiān)控機(jī)器的狀況。在加強(qiáng)交通安全方面，同樣如此。高速處理器支持自動化交通數(shù)據(jù)分析，多顯示系統(tǒng)使操作者可同時監(jiān)控多條道路的路況。
過去，為了滿足顯示分辨率、質(zhì)量及響應(yīng)速度等當(dāng)面的高要求，這些應(yīng)用通常需要使用獨(dú)立顯卡。增加類似的內(nèi)部子系統(tǒng)意味著更大的系統(tǒng)、更高的功耗、成本、復(fù)雜性及故障率。
第三代Intel Core系列處理器搭載了更強(qiáng)大的集成顯卡，在一定程度上解決了上述問題。 3D顯卡較上一代顯卡在性能上提上了近60%。這樣很多應(yīng)用將不再需要成品顯卡。新型的DirectX 11支持能力同樣從整體上帶來更佳的3D體驗(yàn)。處理器可同時支持多達(dá)三個獨(dú)立顯示器，進(jìn)一步減少了外接顯卡的需求。
在處理性能方面也有了重大的提升。 第三代Intel Core處理器較上一代在運(yùn)行速度方面提升了15%，實(shí)現(xiàn)了更快、更復(fù)雜的圖像和視頻數(shù)據(jù)分析。 很多算法都得益于Intel®高級矢量擴(kuò)展指令集（Intel® Advanced Vector Extensions，Intel® AVX），可提供256位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。 Intel® Quick Sync Video 2.0增強(qiáng)了視頻流數(shù)據(jù)及存儲能力，可以執(zhí)行硬件編解碼，輕松實(shí)現(xiàn)全屏1080p高清視頻和高分辨率攝像率的集成。 除此之外，Intel Quick Sync Video 2.0實(shí)現(xiàn)了視頻編碼轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度為上一代的2倍，極大降低了處理器在編碼轉(zhuǎn)換過程中的負(fù)載。
顯卡升級后，處理器性能提升有助于開發(fā)者在最小化系統(tǒng)功耗、大小以及成本的前提下，開發(fā)出前沿特性。開發(fā)者可以將顯卡升級充分應(yīng)用到如NEXCOM NISE 3600E等堅(jiān)固型計(jì)算機(jī)中。 例如，通過結(jié)合DisplayPort、DVI-D及VGA接口（圖2），NEXCOM NISE 3600E內(nèi)部可支持三個獨(dú)立的顯顯示器。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：CPU性能VS熱限制
惡劣環(huán)境要求要求無風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方案降低了功耗， 但同時使得性能大打折扣。這是圖形化處理面臨的挑戰(zhàn)。面對這樣的挑戰(zhàn)，就需要更強(qiáng)大的處理器和顯卡性能。 通過智能化的設(shè)計(jì)革新和創(chuàng)新，第三代Intel Core處理器滿足了這些相互沖突的要求，在相同的功耗水平下，提供了更高的性能。 并且，將此性能擴(kuò)展到的更廣闊的應(yīng)用負(fù)載范圍。 這一切究竟如何達(dá)到？它又給嵌入式系統(tǒng)帶來哪些有益之處呢？
首先，從制造工藝上來看，較老的45納米及32納米到現(xiàn)在的22納米且擁有全新的3D三柵極晶體管的演進(jìn)，降低了漏電流和工作電壓、提高了晶體管的開關(guān)切換速度，從而實(shí)現(xiàn)了更為卓越的每瓦性能。這意味著在同一性能水平的前提下，實(shí)現(xiàn)了更低的功耗和熱量，或者在同一功耗水平下，實(shí)現(xiàn)了更高的性能。 有趣的是，與32納米平面晶體管相比，在低電壓下，3D三柵極晶體管的性能增益更高（1.0V下增加了18%；0.7V下增加了37%）。
其次，第三代Intel Core處理器優(yōu)化了設(shè)計(jì)，可以提供功耗和性能的最優(yōu)匹配。處理器運(yùn)行在功耗、電流計(jì)溫度限制以下時，Intel®智能加速技術(shù)2.0（Intel® Turbo Boost Technology 2.0）允許處理器自動超頻。 該特性對于不會占用所有處理器內(nèi)核的應(yīng)用尤其有用。在這樣的應(yīng)用中，沒有使用的內(nèi)核可以關(guān)閉，使得正在使用的內(nèi)核超頻運(yùn)行（如圖3所示）。 其他的升級中，該特性的2.0版本定義了更多的加速方法，允許處理器更加密切的跟蹤可用功率預(yù)算。 其他的性能升級包括：新推出的低功耗模式，這一模式通過如為最低頻率模式引入空閑內(nèi)核等技術(shù)，降低了標(biāo)量TDP以下的活動功耗。
結(jié)合這一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加強(qiáng)大的性能，就像汽車上使用的渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)。 它尺寸小，油耗低，速度快。同樣的道理，Intel的第三代Intel Core處理器為從臃腫的機(jī)架式到無風(fēng)扇的小型系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的嵌入式計(jì)算提供了幫助。嵌入式計(jì)算曾長期受制于性能與功耗的權(quán)衡。
NEXCOM利用了這些新特性，在高度緊湊的系統(tǒng)下（寬216mm×深270mm×高93mm，10.6”×8.5”×3.65”）實(shí)現(xiàn)了高性能的圖像化處理。 NISE 3600E機(jī)框設(shè)置有獨(dú)特的波浪形散熱器，增加了空氣流動和散熱面積，相比傳統(tǒng)的無風(fēng)扇設(shè)計(jì)（如圖4所示）提升了整體性能。
設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：I/O帶寬
高性能I/O對于圖形密集應(yīng)用同樣關(guān)鍵。本地USB3.0和PCI擴(kuò)展接口（PCIe）Gen 3支持引入的第三代Intel Core系列處理器（如圖5所示），使嵌入式系統(tǒng)可處理高數(shù)據(jù)負(fù)載，提供更快，更豐富，更復(fù)雜的視覺效果。
這些帶寬方面的改進(jìn)并非僅是增量的。 USB3.0最大傳輸速率可達(dá)到5Gbps—向后兼容USB2.0—這一速率是USB2.0（480Mpbs）的10倍之多，大大降低了傳輸時間和功耗。 PCIe Gen3向后兼容現(xiàn)有PCIe，每通道的帶寬是PCIe* Gen 2的兩倍（1Gbps VS 500Mpbs）， 這意味著單獨(dú)一個三代的16槽位PCIe上下行均可以達(dá)到16Gbps的傳輸速率。
NEXCOM NISE 3600E利用了增強(qiáng)型的I/O，提供多達(dá)4個本地USB3.0接口和多達(dá)2個PCIe Gen3×4擴(kuò)展端口。 這些擴(kuò)展選項(xiàng)對于高速計(jì)算機(jī)和工廠自動化應(yīng)用十分有益，可實(shí)現(xiàn)指定運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)捕獲及其他行業(yè)相關(guān)的成品卡和外圍設(shè)備的輕松集成。
第三代Intel® Core™系列處理器：可靠的性能
在惡劣環(huán)境下，停機(jī)和突發(fā)性修復(fù)均可導(dǎo)致難以預(yù)料的后果，因此性能和可靠性對于可視化計(jì)算都很重要。堅(jiān)固系統(tǒng)的可靠性不僅要求良好的設(shè)計(jì)和行業(yè)內(nèi)高質(zhì)量部件，而且需要最佳的熱管理方案以及最低的故障率。 第三代Intel Core處理器擁有更快速的集成顯卡，獨(dú)立顯卡已不再需要了，這樣就降低了成本和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。其增強(qiáng)的節(jié)能特性使得設(shè)計(jì)者可以控制熱生成，提供了安全高效的性能。 本地USB3.0及PCIe Gen2消除了帶寬瓶頸。
使用第三代Intel Core系列處理器，工業(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)，如NEXCOM NISE 3600E可以提供卓越的可視化計(jì)算性能及能力；同時最大化正常運(yùn)行時間，最小化功耗及熱生成，從而加固之前獨(dú)立的硬件并降低系統(tǒng)的整體成本和功耗。
NEXCOM International Co., Ltd.是Intel®智能系統(tǒng)聯(lián)盟（Intel® Intelligent Systems Alliance）的準(zhǔn)會員之一。 NEXCOM成立于1990年，總部位于臺北，致力于成為您可信賴的數(shù)字化架構(gòu)合作伙伴。 NEXCOM提供創(chuàng)新、多功能的工業(yè)計(jì)算機(jī)方案，以及安全監(jiān)控應(yīng)用，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)先技術(shù)、本地化客戶支持及全球物流服務(wù)領(lǐng)域。
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