2020年10月27日 | 家居监控：如何选择内存技术以适应新型系统架构

近年来，人工智能（AI）和机器学习（ML）技术产品需求激增。但研究发现，在自动驾驶等应用中，让机器学习人类与生俱来的技能和判断力，简直难若登天。尽管在部分领域，有关AI的炒作已经超越现实，仍有不少采用ML功能的真实产品开始逐渐吸引消费者的目光。例如采用智能视觉的安防和家居监控系统，就拥有巨大的潜力：分析公司Strategy Analytics预测，2019年至2023年间，家居安防摄像头市场的增长率将超过50%，市值将从80亿美元增至130亿美元。

由于影像和场景识别被认为是最适合发展ML技术的功能之一，智能摄像头得以蓬勃发展。家居监控系统中的智能功能可用于：

• 看护老年人或弱势群体

• 监测婴儿睡眠时呼吸是否正常

• 识别住户或宠物的面部（例如智能门铃或智能宠物门），自动允许他们进入

• 监控住宅周边的可疑活动，并触发入侵警报

这些搭载高级图像信号处理器（ISP）的新型智能监控系统，其实就是具有特定功能的计算机。这一类的最新产品采用类似于计算机的架构，需要依靠高速DRAM系统的低延迟、高带宽作业来储存在ISP上执行的应用程序代码。本文将探讨影响新型家居安防监控系统类别中DRAM技术选择的因素，并说明DRAM的发展如何对应ISP型架构的特定需求。

功能完善的计算机摄像头系统内存

用于家居安防监控的最新智能摄像头，使用神经网络来进行影像或场景识别。这些监控系统包含推理引擎：这是一种经过训练的软件算法，可以通过检视和分析训练数据集中所含的数千或数百万个已标记影像，“学会”识别影像或场景类型。

图1：NetGear Arlo，早期的AI家居安防摄像头之一。（影像出处：Scott Lewis，根据创作共享授权）

执行推理引擎是一项运算量很大的工作负载，因此一些最新的家居监控系统会搭载高效能的整合式ISP，以及芯片组制造商（例如Ambarella）的AI推理引擎，这些ISP通常采用功能强大的Arm® Cortex®-A系列应用处理器核心。

另一种常见家居安防摄像头设计的方法是“Light AI”，该方法使用Omnivision、Kneron和NXP Semiconductors等制造商所生产的体积较小、功能较少的芯片组。虽然Omnivision和NXP已是全球知名的高级传感器和处理器芯片供货商，但随着近几年Kneron迅速崛起，该公司成为AI技术的领导者，其KL520被EE Times评选为十大边缘AI应用芯片组之一。

因此，这些以AI为出发点的家居监控系统其实也应算是计算机摄像头（如图1），与老式的闭路电视（CCTV） 摄像头，或单纯记录场景含有时间戳视频片段的安防摄像头，是完全不同的装置。新一代的家居安防摄像头采用计算机型态的架构，并配备充足的高速DRAM内存来储存复杂的推理引擎和其他应用程序代码 （如图2）。

图2：家居安防摄像头的典型系统架构包含支持ISP的DRAM系统内存（以Ambarella CV25S为例）

但家居监控系统不同于平板电脑、智能手机或其他通用型计算机，具有专用的影像和推理功能，可充分发挥组件和系统架构的效能。这代表DRAM单纯是为了满足影像信号处理功能的需求，而非一般的运算任务。

因此，家居安防摄像头制造商发现，相比使用智能手机或笔记本电脑中常见的高容量4GB、8GB DRAM，专用的低容量或中容量LPDRAM更具优势。

图3：展示板上为Kneron KL520 SoC。KL520神经处理单元（NPU）获EE Times评选为十大边缘AI应用芯片组之一 （KL520内含华邦512Mb LPDDR2 KGD）

省电、长效且可靠

能耗问题极大地影响了制造商对DRAM类型以及DRAM供货商的选择。针对高端计算机和平板电脑，OEM需要尽量提高DRAM内存容量和带宽最大化，并尽量降低成本，因此必须选择采用领先工艺制程的最新DRAM技术。

相比之下，家居安防和监控摄像头更注重：

• 省电：例如，智能视频门铃的设计必须延长其一次性碱性电池的工作时间，以最大程度地减少更换电池的频率。

• 长效：根据家居监控系统市场的经济状况要求，一款成功的设计必须在市场上维持三年以上。因此，供货商必须保障这些设计中的组件有长效的使用寿命，避免OEM定期重新设计硬件。

• 可靠性：由于家居监控系统必须安装在精确的固定位置才能拍摄到所需的场景，这意味着维修和更换都需要技术人员到场处理，相比将故障的笔记本电脑寄回维修中心，成本要高出许多。因此，客户和OEM都非常重视单个组件及整体系统的可靠性。

以上因素也将影响OEM对DRAM产品和供货商的评估。专用内存制造商，与采用顶尖制程并专注于PC和服务器市场的大型DRAM制造商，两者的方法形成鲜明对比。

DRAM的专业供货商能为可采用传统DRAM技术运作的应用提供多元的产品，而非供应最先进的产品。例如，华邦供应的产品包括DDR、DDR2和DDR3标准版本的SDRAM，还有用于功率敏感设计的低功耗LPDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4和LPDDR4x行动内存（Mobile DRAM）。

主流DRAM制造商的制程也针对内存容量和晶粒成本进行了优化。选择不采用尖端技术的制造商可以自由改进传统制程，更全面地满足工业、汽车、医疗和消费市场的需求。华邦在台湾的行动内存晶圆厂实施的制程，能最大程度降低装置的功耗，从而帮助华邦的标准版DRAM产品提供比竞争对手的标准产品更好的电源性能。

家居监控系统的OEM也需要依赖其所选组件的可靠性，其中专用内存供货商的作业配置也是为了满足市场需求。华邦的LPDRAM可以提供高可靠性保证。

最后，虽然主流的高容量DRAM功能接口与PC和服务器所使用的x86微处理器架构兼容，但专用DRAM能进行调整，以更简易的方式与其他类型的处理器（尤其是Arm架构装置）整合。为了简化家居监控系统制造商的系统整合，华邦与ISP芯片组制造商合作，为智能监控摄像头的参考设计板提供支持。

支持快速开发更高级的监控系统

随着人工智能和机器学习技术的发展，为了支持ISP，市场对更大信号处理量和更高速内存的需求将持续增长。专用DRAM的发展规划应包含引进新标准技术（例如LPDDR4/4x），以提供更大的带宽。华邦的DRAM和Flash内存产品以国际质量认证及高质量制造流程为后盾，让OEM厂商有信心在家居与安防监控系统中建构更具智能的新功能。