新款 InFo 封裝 UltraScale+ 器件實現緊湊型工業攝像頭

采用InFo封裝的新款賽靈思Zynq UltraScale+ MPSoC以緊湊型外形尺寸和高計算密度，實現包括定制圖像處理、應用專用加速和AI加速，以及工業級生命周期、可靠性、安全性在內的全系列工業性能。

概要

工業市場和醫療市場上的各類視覺應用要求攝像頭尺寸、速度、智能度和功耗水平做進一步改進。工業市場還對安全性、擴展溫度性能和生命周期提出額外的要求。本白皮書將探討機器視覺、工廠自動化和機器人技術等應用中的部分此類要求。

賽靈思新款InFO封裝Zynq UltraScale+ MPSoC可提供更優秀的單位功耗性能，為緊湊型外形尺寸攝像頭提供智能、分辨率和速度，超越以往1080p乃至720p分辨率和30fps的限制。這些新產品可實現包括定制圖像處理、應用專用加速和AI加速以及工業級生命周期、可靠性、安全性在內的全系列工業性能。

介紹

工業攝像頭制造商一直都面臨著設計出更小產品尺寸的挑戰。與消費類攝像頭解決方案不同，機器視覺攝像頭，尤其是工廠自動化攝像頭，必須符合嚴格的成套標準和要求。這些要求主要包括為實現高速生產、高速響應的低光性能與高幀率要求、對透鏡和傳感器的優異光學品質要求，以及工業應用通行的抗水性要求和其他特定的長期可靠性要求。此外，機器視覺系統也經常支持復雜的工業通信標準，如時間敏感網絡 (TSN)、GigE Vision 和 CoaXPress 等。

機器視覺攝像頭要求

機器視覺攝像頭應用常要求使用比消費類應用更大、性能更高的組件。例如，圖像傳感器的大小而非像素分辨率，直接與攝像頭采集的光量成正比，因此更大的傳感器通常可提供更優異的圖像質量。然而，高分辨率傳感器也會產生更精細的圖像，要求更高的幀率，才能加快圖像采集速度，進而加快生產線或機器人的運作的速度。這樣的速度更快的高分辨率傳感器產生高像素數據速率，進一步增加了圖像處理流水線的圖像處理工作負載。參見圖 1。

圖1 賽靈思 SmartCamera + 演示平臺

除了感測、處理和優化圖像，攝像頭還必須支持機器視覺攝像頭常用的高速接口，如 GigE Vision、USB3 Vision、CoaXPress、Camera Link 和 Camera Link HS 等。也必須在帶寬、線纜長度、成本和復雜性之間進行權衡取舍。參見圖 2。

圖2 攝像頭接口標準

與普通消費類產品相比，工業攝像頭也必須符合更嚴格的安全性和可靠性標準。例如，大多數工業攝像頭都：

●   提供至少三年質保（不過一般能工作更長時間）

●   能在擴展溫度范圍下工作（通常 -40 到 +85°C）

●   通過多家工業標準機構的認證，如 ISO、TUV、RoHS 和 CE 等。

此外，工業攝像頭用戶也越來越多地提出功能安全和網絡安全要求，尤其是在這些攝像頭構成復雜網絡系統的一部分且有人員在系統中工作的時候。

攝像頭的光學器件，即透鏡系統，也對攝像頭的大小有著重大影響。類似于傳感器，較大的透鏡一般能為攝像頭系統采集更多的光。采用更高品質的透鏡材料和更復雜的光學設計也能起到這樣的作用。選擇透鏡時需要考慮的其他因素有光圈要求、焦距、具體的透鏡安裝兼容性、關注的波長以及與選擇的圖像傳感器的匹配度。

這些要求與普通消費類移動電話攝像頭差別很大。例如，許多消費者都傾向于每兩年更換一次手機，因此使用壽命顯著縮短。為將成本控制在手機總物料清單 (BOM) 的可接受百分比內，成本嚴格受限。盡管智能手機的發展終結了上世紀 90 年代對最小手機的角逐，但我們仍然面臨著繼續保持手機攝像頭（傳感器和光學器件）輕薄的壓力。

除了成本、尺寸和使用壽命，消費類攝像頭的其他要求也不同于工業攝像頭。最重要的是能夠獲取“高畫質”圖像，至少對普通的手機用戶是這種情況。非常有趣的是，這是一個“情人眼里出西施”的領域，因為人眼對構成高畫質的因素有特定的偏倚。例如，讓攝像頭準確地捕獲色彩更好，還是讓用戶的自拍照好看更好？(1)參見表 1。

1.網絡研討會：打破標準 ISP 的界限：賽靈思推出自定義 ISP

表1 典型工業攝像頭要求

工業攝像頭技術的新趨勢

攝像頭在工廠中的典型使用模式是機器視覺攝像頭，負責檢查在自動化生產線上通過的產品。不過如今的工廠對性能、速度、安全與保障提出了更高的要求?，F代工業攝像頭必須在不增大尺寸、功耗或成本的情況下滿足所有這些功能。機器學習 (ML) 的使用也在愈加廣泛，攝像頭必須能夠部署經過訓練的機器學習模型，從而比人工更快、更準確地自動分類、檢測或細分對象的特性。攝像頭檢查食品飲料，幫助機器人選取和疊放包裝箱，確保正確地為藥物貼上標簽，在廢棄物管理設施內為循環再利用物料分類。參見圖3。

圖3 YantraVision 開發的棉花污染分類系統

機器視覺攝像頭也正被逐漸用于工廠外的用途。工業攝像頭是包裹快遞、酒店服務、倉儲管理、建筑、農業、清潔和大量其他應用使用的自主移動機器人 (AMR) 的主要實現技術。參見圖 4。毋庸置疑，AMR 作為移動系統，對低功耗和尺寸有嚴格的要求。即使在工廠內，機器視覺攝像頭也必須和機器人與工作人員協同運行，才能限制尺寸和功耗。

圖4 VineScout 葡萄園監測機器人¹

最近的一些創新

類似于消費類攝像頭，機器視覺攝像頭的分辨率也在不斷提升。索尼的高端機器視覺圖像傳感器現在分辨率達到 2,500 萬和 3,100 萬像素。佳能正在推出一款 2.5 億像素的工業圖像傳感器。在傳感器的類型和采集的光數據方面，其他創新也在涌現。常規攝像頭采用硅基 CMOS 技術，用紅、綠、藍 (RGB) 像素為可見光成像提供優化。但是在許多應用中，其他類型的傳感器能提供更優異、更強大的功能。偏振傳感器能“看穿”水和倒影。短波紅外 (SWIR) 傳感器能檢測和透視特定材料，熱傳感器能采集溫度數據而非可見光數據。另外，鑒于 Covid-19 帶來的篩查要求，溫度測量應用近期備受關注。參見圖5。

圖 5 可見光與 SWIR 檢查的對比（來源：索尼半導體解決方案集團）

如今對攝像頭的要求遠不止只是將傳感器數據處理成可見或可用的圖像。機器學習正被越來越多地用于創建智能工廠和 AI 系統。它們經過快速訓練后，能夠判斷產品是否符合質量標準。或者經過再次訓練后，能裝配新設計的產品。盡管網絡攝像頭肯定可以使用云基資源存儲和分析圖像，圍繞帶寬、安全和時延方面的現實考慮要求在邊緣完成圖像處理和機器學習，例如在智能 AI 攝像頭中。

這不僅需要創新攝像頭傳感器，也需要創新圖像處理流水線。標準的圖像信號處理器 (ISP) 通常針對常規的 RGB CMOS 傳感器進行優化，尤其是為大批量應用進行優化，比如消費類手機、無人機、平板電腦等。工業應用，正如前文介紹的，代表大量與此不同的用例和技術，雖然存在特定的標準（如 MIPI、GigE Vision 和 PCI Express? 等接口標準等），但攝像頭的要求可能大相徑庭。

InFO 封裝中的 Zynq UltraScale+ MPSoC

像 MPSoC 這樣的自適應計算器件盡管通常可提供工業攝像頭開發人員贊賞的計算性能和靈活性，但在過去一般采用尺寸較大，有數百個引腳的封裝。例如，在他們的初始版本中，Zynq UltraScale+ ZU2CG/EG 和 ZU3CG/EG MPSoC 的最小封裝尺寸是 484 引腳、腳距 0.8mm 的 19x19mm 倒裝芯片球柵陣列 (BGA)。

圖 6 InFO 封裝的 Zynq UltraScale+ 器件

ZU2CG/EG 和 ZU3CG/EG MPSoC 現在采用尺寸顯著縮小的封裝。賽靈思正在借助臺積電 (TSMC) 的集成扇出型 (InFO) 封裝技術，在不減少 I/O 或影響性能的前提下，大幅縮小封裝尺寸到 9.5x16mm。InFO 封裝消除了傳統芯片規模封裝 (CSP) 的襯底，實現更小更薄的高密度互聯封裝。

在 InFO 封裝中，Zynq MPSoC 占用不到一半的電路板空間，而且厚度也顯著降低，從 2.41mm 下降到0.644mm。鑒于工業應用要求的某些新外形尺寸，所有尺寸（長、寬、高）都至關重要。ZU2CG/EG 和ZU3CG/EG 的 InFO 封裝版本比最初版本尺寸縮小 60%，厚度降低 70%。

類似 InFO 這樣的高 DPR（芯片面積與封裝面積之比）封裝要求縮小球間距，因而需要印刷電路板 (PCB)提供兼容能力。對于使用 InFO 的設計而言，行業通行做法是采用邊緣粘結的高密度互聯 (HDI) PCB 或圍繞封裝的板級底部填充。提供的優勢極為顯著。InFO 在小外形尺寸封裝中提供最優秀的熱性能，同時通過節省面積和實現出色的計算密度，降低產品的總成本。

此外，賽靈思新提供的 ZU1 選項可進一步縮小封裝尺寸并降低功耗。另外，ZU1 也為現有的 ZU2CG/EG和 ZU3CG/EG 器件帶來了可移植的封裝選項。這意味著設計師既可選擇最最大的可擴展性（非 InFO 封裝的當前 ZU2CG/EG 和 ZU3CG/EG 設計），又可選擇最小的尺寸。參見表 2。

表2 器件資源信息

作為緊湊型工業產品中 InFO 封裝的 Zynq MPSoC 的示例，加拿大里士滿的 Lucid Vision Labs 提供一種稱為 Triton Edge 的工業機器視覺攝像頭。為了滿足 29x44x45mm 的尺寸要求，Lucid 的攝像頭需要最小巧、最高效的組件。Lucid 的工程師已經設計出一種創新型的柔性-剛性板件架構，能將大量的組件封裝在緊湊的 IP67 攝像頭外殼中。參見圖 7。

圖 7 InFO 封裝的 Triton Edge 攝像頭

Triton Edge 的柔性-剛性板件設計，結合賽靈思 Zynq MPSoC inFO 封裝，讓 Lucid 能夠提供更豐富的攝像頭控制與定制化，同時保持攝像頭輕便小巧的外形尺寸。OEM 廠商不必依靠攝像頭制造商的 SDK，也無需在主機 PC 上開發和運行代碼，通過創建含 AI 推斷在內的定制 FPGA 圖像處理流水線，就能在攝像頭上開發自己的 IP。

除了緊湊型攝像頭，Zynq MPSoC InFO 封裝也理想適用于任何同時需要自適應計算能力和小巧尺寸的應用。這其中包括便攜式醫療設備、手持測試設備、軍用雷達等。

結論

賽靈思 Zynq UltraScale+ MPSoC 向多種視覺、醫療和工業系統的設備制造商提供出類拔萃的處理和加速性能。采用臺積電 InFO 封裝微型化 Zynq MPSoC，能進一步幫助工業攝像頭制造商拓寬定制圖像處理、AI 加速和其他自適應功能的應用面，讓它們進入最小巧的攝像頭和其他緊湊型工業產品。

鳴謝

以下賽靈思員工是本文作者或為本白皮書提供過寶貴意見：工業視覺領域市場營銷經理 Susan Cheng。

修訂歷史

下表列出了本文檔的修訂歷史。