技術文章 - 是攝影機還是電腦？全新居家保全監看系統架構如何影響系統記憶體技術採用決策

人工智慧 (AI) 和機器學習 (ML) 技術產品需求激增，在主流市場已經強力發酵。已有研究發現，在自動駕駛等應用中，要讓機器學習人類與生俱來的技能和判斷力，簡直難若登天。儘管在部分領域，AI的炒作已經超越現實，仍有不少採用ML功能的真實產品開始吸引消費者的目光。例如採用智慧視覺的保全和居家監看系統，就擁有巨大的潛力：分析公司Strategy Analytics預測，2019年至2023年間，居家保全攝影機市場的成長率將超過50%，市值將從80億美元增至130億美元。

由於影像和場景辨識為最適合發展ML技術的功能之一，智慧攝影機得以蓬勃發展。居家監看系統中的智慧功能可用於：

偵測是否有年老或弱勢族群跌倒受傷
監看嬰兒睡眠時呼吸是否正常
辨識住戶 (例如智慧門鈴) 或寵物 (例如智慧寵物門) 的臉孔，自動允許他們進入
偵測住家周遭的可疑或不明活動，並觸發入侵警報

這些搭載進階影像訊號處理器 (ISP) 的全新智慧監看系統，其實就是具有特定功能的電腦。這一類的最新產品採用類似於電腦的架構，需要仰賴高速DRAM系統的低延遲、高回應作業來儲存在ISP上執行的應用程式碼。

本文將探討影響新興居家監看系統類別中DRAM技術選擇的因素，並說明DRAM的發展如何回應ISP型架構的特定需求。

功能完善的電腦攝影機系統記憶體

用於居家監看的最新智慧攝影機，使用神經網路來進行影像或場景辨識。這些監看系統包含推論引擎：這是一種經過訓練的軟體演算法，可以透過檢視和分析訓練資料集中所含的數千或數百萬個已標記影像，「學會」辨識影像或場景類型。

圖1：NetGear Arlo，早期的AI型居家保全攝影機之一。(影像出處：Scott Lewis，根據創作共享授權)

執行推論引擎是一項運算量很大的工作負載，因此一些最新的居家監看系統會搭載高效能的整合式ISP和晶片組製造商(例如Ambarella)的AI推論引擎，這些ISP通常採用功能強大的Arm® Cortex®-A系列應用處理器核心。

另一種常見實作居家保全攝影機設計的方法稱為「Light AI」，其使用Omnivision、Kneron和NXP Semiconductors等製造商所生產體積較小、功能較少的晶片組。雖然Omnivision和NXP已是全球知名的進階感測器和處理器晶片供應商，但Kneron迅速崛起，成為AI技術的領導者，其KL520獲EE Times評選為十大邊緣AI應用晶片組之一 (www.eetimes.eu/top-10-processors-for-ai-acceleration-at-the-endpoint/)。

因此，這些以AI為出發點的居家監看系統其實算是電腦攝影機，與老式的閉路電視(CCTV)攝影機，或單純記錄場景含有時間戳記之視訊片段的保全攝影機，是完全不同的裝置(請見圖1)。新一代的居家保全攝影機採用電腦型態的架構，並配備充足的高速DRAM記憶體來儲存複雜的推論引擎和其他應用程式碼 (請見圖2)。

圖2：居家保全攝影機的典型系統架構包含支援ISP的DRAM系統記憶體(以Ambarella CV25S為例)

但居家監看系統不同於平板電腦、智慧型手機或其他通用型電腦，具有專用的影像和推論功能，可充分發揮元件和系統架構的效能。這代表DRAM單純是為了滿足影像訊號處理功能的需求，而非一般的運算任務。

因此，居家保全攝影機製造商發現，與其使用智慧型手機或筆記型電腦中常見的高密度4GB、8GB DRAM，使用專用的低密度或中密度LPDRAM更具優勢。

圖3：展示板上為Kneron KL520 SoC。KL520神經處理器單元(NPU)獲EE Times評選為十大邊緣AI應用晶片組之一 (KL520內含華邦512Mb LPDDR2 KGD)

省電且長效

這個看法大幅影響了製造商對於DRAM類型以及DRAM供應商的選擇。

針對高階電腦和平板電腦，OEM需要盡量提高DRAM記憶體容量和頻寬最大化，並盡量降低成本，因此必須選擇採用尖端製程的最新DRAM技術。

而居家保全和監看攝影機著重在：

省電：例如智慧視訊門鈴的設計必須延長其拋棄式鹼性電池的運作時間，將更換電池的頻率降到最低。
長效：居家監看系統市場的經濟現況要求，一款成功的設計必須在市場上維持三年以上時間。因此，這些設計中的元件供應商必須保障長效使用壽命，避免OEM需要定期重新設計硬體。
可靠性：居家監看系統必須妥善安裝在固定的精確位置，才能拍攝到所需的場景，這代表維修和更換都需要技師到府處理，與將故障的筆記型電腦寄回中央維修實驗室相比，成本要高出許多。因此，客戶和OEM會非常重視個別元件及整體系統的可靠性。

以上考量也將決定影響OEM評估DRAM產品和供應商的關鍵因素。專用記憶體製造商，與採用頂尖製程並專注於PC和伺服器市場的大型DRAM製造商，兩者的方法形成鮮明對比。

DRAM的專業供應商能為可採用傳統DRAM技術運作的應用提供多元的產品，而非供應最先進的產品。例如，華邦供應的產品便包含DDR、DDR2和DDR3標準版本的SDRAM，還有用於功率敏感設計的低功耗LPDDR、LPDDR2、LPDDR3、LPDDR4和LPDDR4x行動記憶體(Mobile DRAM)。

主流DRAM製造商的製程也針對記憶體容量和晶粒成本進行了最佳化。選擇不採用尖端技術的製造商可以自由改進傳統製程，更全面地滿足工業、汽車、醫療和消費市場客戶的需求。華邦在台灣的行動記憶體晶圓廠實施的製程，設定為能使裝置達到最低的功耗，進而幫助華邦的標準版DRAM產品提供比競爭對手的標準產品更好的用電表現。

經營居家監看系統市場的OEM也需要仰賴其所選元件的高信賴性，其中專用記憶體供應商的作業配置也是為了滿足市場需求。華邦的LPDRAM可以提供高信賴性保證。

最後，雖然主流的高容量DRAM功能介面與PC和伺服器所使用的x86微處理器架構相容，但專用DRAM能進行調整，以更輕鬆的方式與其他類型的處理器(尤其是Arm架構裝置)整合。

為了簡化居家監看系統製造商的系統整合，華邦與ISP晶片組製造商合作，可作為許多智能監控攝影機的參考設計板提供支援。

支援快速開發全新、更高階的監看系統

隨著AI和機器學習技術的發展，為了支援ISP，對更大訊號處理量和更高速記憶體的需求將持續成長。專用DRAM的發展規劃應包含引進新標準技術(例如LPDDR4/4x)，以提供更大的頻寬。

華邦的DRAM和Flash記憶體產品以國際品質認證及高品質製造流程為後盾，讓OEM廠商有信心在居家監看和保全監看系統中建構更具智慧的新功能。

撰文：華邦電子DRAM行銷經理 Jacky Tseng