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By Joe Lin, General Manager, Industrial Computing Solutions, NEXCOM
復雜可視化處理逐步成為許多惡劣工業應用中不可或缺的一部分。工業生產線的自動光學檢測（automated optical inspection，AOI），石油煉制行業的紅外熱成像（infrared thermography，IRT），以及交通安全強化等都是通過圖像和視頻處理提高質量，提升效率，加強安全的實例。惡劣環境下的圖像化處理并非一帆風順。 大多數應用都屬于資源密集型，并涉及許多2D和3D圖像處理。 惡劣的環境因素要求無風扇的設計方案，這種設計方案降低了功耗，但同時對系統散熱提出了挑戰。 客戶迫切需要一款低成本的小型系統。嵌入式系統設計者正在為此而努力。
幸運的是，第三代Intel® Core™系列處理器有助于戰勝這些挑戰。本文詳細介紹了這種新型處理器大大增加的圖像、計算以及輸入輸出I/O吞吐能力如何與新的節能特性完美結合，從而在苛刻的熱限條件下實現增強的可視化計算。本文還將介紹開發者如何將緊湊堅固的系統搭載到NEXCOM NISE 3600E中，它是一種最先進的無風扇嵌入式計算機，專為要求高性能，處理大量圖形的應用設計。
設計挑戰：顯卡性能
可視化計算應用多種多樣，但這類應用都有一個共同點，即幫助操作者獲得更好的計算結果。例如，AOI的應用范圍廣泛，從印刷電路（printed circuit board，PCB）生產到農業生產都不可或缺。 AOI系統采用一個或多個攝像頭，用以掃描產品的缺陷和色差，并將掃描結果提供給操作者。在這一過程中，處理器和顯卡性能都十分關鍵：高性能的處理器有助于AOI系統發現十分微小的缺陷，從而有利于提高生產線的產能。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果，并在必要時迅速采取措施。
當然，IRT也可以實現上述功能。IRT使用在諸如石油煉制行業中確定燃油液位或檢測機器部件過熱等應用中（如圖1所示）。 IRT也可應用于消防、建筑及理療診斷領域。 強大的處理器使得IRT系統可以更加自動化地分析任務；更優秀的顯卡使操作者可以更輕松地監控機器的狀況。在加強交通安全方面，同樣如此。高速處理器支持自動化交通數據分析，多顯示系統使操作者可同時監控多條道路的路況。
過去，為了滿足顯示分辨率、質量及響應速度等當面的高要求，這些應用通常需要使用獨立顯卡。增加類似的內部子系統意味著更大的系統、更高的功耗、成本、復雜性及故障率。
第三代Intel Core系列處理器搭載了更強大的集成顯卡，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。處理器可同時支持多達三個獨立顯示器，進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行速度方面提升了15%，實現了更快、更復雜的圖像和視頻數據分析。 很多算法都得益于Intel®高級矢量擴展指令集（Intel® Advanced Vector Extensions，Intel® AVX），可提供256位浮點數據處理。 Intel® Quick Sync Video 2.0增強了視頻流數據及存儲能力，可以執行硬件編解碼，輕松實現全屏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實現了視頻編碼轉換，轉換速度為上一代的2倍，極大降低了處理器在編碼轉換過程中的負載。
顯卡升級后，處理器性能提升有助于開發者在最小化系統功耗、大小以及成本的前提下，開發出前沿特性。開發者可以將顯卡升級充分應用到如NEXCOM NISE 3600E等堅固型計算機中。 例如，通過結合DisplayPort、DVI-D及VGA接口（圖2），NEXCOM NISE 3600E內部可支持三個獨立的顯顯示器。
設計挑戰：CPU性能VS熱限制
惡劣環境要求要求無風扇設計方案，這種設計方案降低了功耗， 但同時使得性能大打折扣。這是圖形化處理面臨的挑戰。面對這樣的挑戰，就需要更強大的處理器和顯卡性能。 通過智能化的設計革新和創新，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，將此性能擴展到的更廣闊的應用負載范圍。 這一切究竟如何達到？它又給嵌入式系統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納米到現在的22納米且擁有全新的3D三柵極晶體管的演進，降低了漏電流和工作電壓、提高了晶體管的開關切換速度，從而實現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，實現了更低的功耗和熱量，或者在同一功耗水平下，實現了更高的性能。 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處理器優化了設計，可以提供功耗和性能的最優匹配。處理器運行在功耗、電流計溫度限制以下時，Intel®智能加速技術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核的應用尤其有用。在這樣的應用中，沒有使用的內核可以關閉，使得正在使用的內核超頻運行（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核等技術，降低了標量TDP以下的活動功耗。
結合這一技術，實現了更加強大的性能，就像汽車上使用的渦輪發動機技術。 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架式到無風扇的小型系統轉變過程中的嵌入式計算提供了幫助。嵌入式計算曾長期受制于性能與功耗的權衡。
NEXCOM利用了這些新特性，在高度緊湊的系統下（寬216mm×深270mm×高93mm，10.6”×8.5”×3.65”）實現了高性能的圖像化處理。 NISE 3600E機框設置有獨特的波浪形散熱器，增加了空氣流動和散熱面積，相比傳統的無風扇設計（如圖4所示）提升了整體性能。
設計挑戰：I/O帶寬
高性能I/O對于圖形密集應用同樣關鍵。本地USB3.0和PCI擴展接口（PCIe）Gen 3支持引入的第三代Intel Core系列處理器（如圖5所示），使嵌入式系統可處理高數據負載，提供更快，更豐富，更復雜的視覺效果。
這些帶寬方面的改進并非僅是增量的。 USB3.0最大傳輸速率可達到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向后兼容現有PCIe，每通道的帶寬是PCIe* Gen 2的兩倍（1Gbps VS 500Mpbs）， 這意味著單獨一個三代的16槽位PCIe上下行均可以達到16Gbps的傳輸速率。
NEXCOM NISE 3600E利用了增強型的I/O，提供多達4個本地USB3.0接口和多達2個PCIe Gen3×4擴展端口。 這些擴展選項對于高速計算機和工廠自動化應用十分有益，可實現指定運動控制、數據捕獲及其他行業相關的成品卡和外圍設備的輕松集成。
第三代Intel® Core™系列處理器：可靠的性能
在惡劣環境下，停機和突發性修復均可導致難以預料的后果，因此性能和可靠性對于可視化計算都很重要。堅固系統的可靠性不僅要求良好的設計和行業內高質量部件，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，獨立顯卡已不再需要了，這樣就降低了成本和實現復雜度。其增強的節能特性使得設計者可以控制熱生成，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，工業嵌入式計算機，如NEXCOM NISE 3600E可以提供卓越的可視化計算性能及能力；同時最大化正常運行時間，最小化功耗及熱生成，從而加固之前獨立的硬件并降低系統的整體成本和功耗。
NEXCOM International Co., Ltd.是Intel®智能系統聯盟（Intel® Intelligent Systems Alliance）的準會員之一。 NEXCOM成立于1990年，總部位于臺北，致力于成為您可信賴的數字化架構合作伙伴。 NEXCOM提供創新、多功能的工業計算機方案，以及安全監控應用，產品廣泛應用于工業領先技術、本地化客戶支持及全球物流服務領域。
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