AI計(jì)算——EdgeBoard硬件設(shè)計(jì)與解析

EdgeBoard是基于FPGA打造的嵌入式AI解決方案，能夠提供強(qiáng)大的算力，并支持定制化模型，適配各種不同的場(chǎng)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(diǎn)。

EdgeBoard系列計(jì)算卡符合工業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎng)景。

EdgeBoard產(chǎn)品分為三個(gè)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(jì)算的方案，也有高性價(jià)比的處理方案。本文將從“三兄弟”的特點(diǎn)及整體硬件框架兩個(gè)方面來介紹EdgeBoard。

1.為什么EdgeBoard使用FPGA

理想的異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)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(jìn)的算法;最后豐富的外圍接口，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

CPU作為通用處理器，以邏輯計(jì)算作為出發(fā)點(diǎn)，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(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。GPU具有并行計(jì)算的特點(diǎn)，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(duì)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(jì)算性能高等特點(diǎn)，但AISC芯片研發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，資金投入大，由于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，無法適配快速演進(jìn)的AI算法，在應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)可編程門陣列，具有低功耗、低延遲、高性能等優(yōu)勢(shì)，其可編程的特性又可以靈活適配不同的算法，同時(shí)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(shì)使得FPGA被廣泛應(yīng)用在AI推理加速上。

2.EdgeBoard計(jì)算卡介紹

2-1 概述

EdgeBoard是基于Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC系列芯片打造的計(jì)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(diǎn)。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(tái)(AIStudio、EasyDL、EasyEdge)深度打通，實(shí)現(xiàn)模型的訓(xùn)練、部署、推理等一站式服務(wù)。

EdgeBoard計(jì)算卡產(chǎn)品可以分為FZ9、FZ5、FZ3三個(gè)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(diǎn)，針對(duì)不同需求和應(yīng)用場(chǎng)景，有不同的市場(chǎng)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(jì)算卡

EdgeBoard FZ9系列計(jì)算卡是基于XCZU9EG芯片的高性能計(jì)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(jì)算性能達(dá)3.6Tops，片上存儲(chǔ)BRAM高達(dá)32.1Mb。

FZ9計(jì)算卡產(chǎn)品采用核心板+擴(kuò)展板的雙層設(shè)計(jì)方案，增加了對(duì)外接口的數(shù)量，其80*120mm的尺寸方便計(jì)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(qiáng)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(jī)器學(xué)習(xí)、醫(yī)療診斷等行業(yè)需求。

EdgeBoard FZ9計(jì)算卡

2-3 FZ5系列計(jì)算卡

EdgeBoard FZ5系列計(jì)算卡是基于XAZU5EV芯片的計(jì)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(jì)算性能達(dá)2.4Tops，片上存儲(chǔ)BRAM達(dá)5.1Mb，UltraRAM 18Mb。

FZ5計(jì)算卡產(chǎn)品延續(xù)了FZ9計(jì)算卡的產(chǎn)品形態(tài)，采用核心板+擴(kuò)展板雙層設(shè)計(jì)方案，具有多視頻輸入接口，VCU(Video Codec Unit)硬核解碼，對(duì)視頻的輸入處理采用流水線設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高吞吐量和低時(shí)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(dòng)駕駛等行業(yè)需求。

EdgeBoard FZ5計(jì)算卡

2-4 FZ3系列計(jì)算卡

EdgeBoard FZ3系列計(jì)算卡是基于XAZU3EG芯片的計(jì)算卡，處理器ZU3芯片內(nèi)置四核Cortex-A53和核心FPGA可編程邏輯模塊;PL端資源DSP Slices 360，實(shí)測(cè)計(jì)算性能達(dá)1.2Tops，片上存儲(chǔ)BRAM達(dá)7.6Mb。

FZ3計(jì)算卡產(chǎn)品具有高集成性的設(shè)計(jì)方案，板卡尺寸為80*70mm，具有usb3.0、bt1120、mipi、網(wǎng)絡(luò)等多視頻輸入接口，板載2GB 64bit位寬的 DDR4，整體功耗僅5W左右，極佳的功耗性能比。對(duì)于FZ3產(chǎn)品具有的高性能、低功耗、低成本、小體積的特點(diǎn)，產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用于科研教學(xué)、智能零售、安防監(jiān)控等行業(yè)。

EdgeBoard FZ3計(jì)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(dá)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(shí)時(shí)低功耗協(xié)處理器，以及ARM® Mali?-400MP2 GPU達(dá)到667MHz，同時(shí)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(dòng)態(tài)電源管理與安全配置需求。Zynq UltraScale+ MPSoC平臺(tái)系統(tǒng)頂層框圖如下：

MPSoC平臺(tái)系統(tǒng)框架

3-2 EdgeBoard計(jì)算卡配置比較

基于MPSoC平臺(tái)系統(tǒng)頂層框圖，EdgeBoard計(jì)算卡的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如下：

EdgeBoard計(jì)算卡系統(tǒng)框架

EdgeBoard計(jì)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(chǔ)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(shí)為滿足開發(fā)者調(diào)試便捷性，支持TF Card系統(tǒng)盤啟動(dòng)。

EdgeBoard計(jì)算卡的整體配置比較：

3-3 常用模型在EdgeBoard上的性能數(shù)據(jù)

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

福利

據(jù)可靠小道消息：EdgeBoard(FZ5和FZ9)正在打折中，歷史最低價(jià)，降價(jià)1000元，有興趣可以看看，百度搜索“EdgeBoard深度學(xué)習(xí)計(jì)算卡”即可發(fā)現(xiàn)。