エッジシステムがAI駆動の知覚、高速データ取得、リアルタイム制御をサポートするように進化するにつれ、単一の処理アーキテクチャでは不十分になることが多くなっています。多くのアプリケーションでは、高スループットのAI推論に加え、決定論的で低遅延の制御とI/O処理が求められるため、異種混在のコンピューティングアーキテクチャが必要となっています。この課題に対処するため、iWaveはZynq UltraScale+ MPSoCとNVIDIA Jetson OrinのPCIe Gen3 x4統合を検証しました。これは、FPGAベースのリアルタイム処理とGPUアクセラレーションによるAIを組み合わせたアーキテクチャです。
この統合において、Zynq™ UltraScale+™ MPSoCはリアルタイム処理およびデータ取り込みエンジンとして機能し、高速センサーインターフェース、決定論的処理、およびプログラマブルロジックによる前処理を処理します。NVIDIA® Jetson™ Orin Nanoは、ディープラーニング推論、画像解析、信号分類などの計算負荷の高いAIワークロード向けに、高性能GPUおよびTensor Coreアクセラレーションを提供することで、この機能を補完します。高帯域幅のPCIeインターフェースを介して接続されたこのソリューションは、2つのドメイン間で効率的なデータ転送を可能にし、各プロセッサが最適なパフォーマンスを発揮できる場所で動作できるようにします。
Jetson Orin Nanoは、PCIe接続のAIアクセラレータとしてのみ機能し、DLコンピューティングの95%以上をMPSoCからオフロードします。MPSoCは、決定論的な制御、高速I/O、およびプログラマブルロジックによるデータ前処理を処理し、ディープラーニング推論などのAI集約型ワークロードはGPUベースのプラットフォームにオフロードされます。
PCIeベースの統合と検証
このアーキテクチャは、Jetson Orin NanoがPCIeルートポートとして動作し、ZU11EG SoMがPCIeエンドポイントとして構成されていることを示しています。2つのプラットフォームは、適切なボードレベルの調整を施したM.2 NVMeエッジカードインターフェースを使用して相互接続されています。
ソフトウェア側：
- JetsonはUbuntuベースのNVIDIA JetPack（L4T Linux）を実行します。
- MPSoC は Yocto/PetaLinux を実行します
- Xilinx XDMA IPはFPGA側に実装されています
- XDMA LinuxドライバはPCIe経由の高スループットデータ交換を可能にします
この PCIe リンクにより、FPGA ファブリックと Jetson GPU 間で低レイテンシ、高帯域幅のデータ移動が可能になり、ディープラーニング推論やビジョン処理などの計算集約型のワークロードを GPU に効率的にオフロードできるようになります。
AI物体検出の例: Jetson Orin Nano + ZU11EG MPSoC
異種コンピューティング アーキテクチャを検証するために、iWave は YOLOv3 ディープラーニング モデルを使用してエンドツーエンドのオブジェクト検出パイプラインを実装しました。
この設定では:
- その Zynq™ UltraScale+™ MPSoC センサーインターフェース、フレームキャプチャ、リアルタイム前処理、PCIeデータ転送を処理
- Jetson Orin NanoはCUDAとTensorRTアクセラレーションを使用してYOLOv3推論を実行します
- 境界ボックスや信頼スコアなどの推論結果は、システムレベルの意思決定のためにPCIe経由でMPSoCに送り返されます。
この閉ループ パイプラインは、低レイテンシ操作と、確定的な FPGA 処理と GPU ベースの AI アクセラレーション間の効率的なワークロード分割を実証します。
MPSoCとJetsonの統合
YOLOv3後処理後の出力画像
ターゲットアプリケーション
このJetson + Zynq™ UltraScale+™ MPSoCアーキテクチャは、幅広いリアルタイムアプリケーションやAI駆動型アプリケーションに最適です。
- 産業用マシンビジョン: FPGA ベースの画像キャプチャと前処理を GPU アクセラレーションによる検査と欠陥検出と組み合わせる
- 高速データ収集: レーダー、ライダー、科学機器向けの広帯域信号デジタル化とリアルタイム可視化
- ロボット工学と自動化： GPU アクセラレーションによる経路計画と認識機能を備えた FPGA 上の低レイテンシ センサー フュージョンとモーション コントロール
- 医療画像と監視： 診断、ガイダンス、異常検出のための高解像度ビデオストリームのリアルタイム処理
iWave社のZU11EGベースのZynq™ UltraScale+™ MPSoC SoMとNVIDIA Jetson Orin NanoをPCIe経由で統合することで、次世代エッジAIシステム向けの強力なヘテロジニアスコンピューティングプラットフォームが実現します。決定論的なFPGAベースの処理と高性能GPUアクセラレーションを組み合わせることで、このソリューションは、ビジョン、ロボット工学、計測機器、通信などの要求の厳しいアプリケーション向けに、スケーラブルで低遅延、かつAI対応のデータパイプラインを提供します。
iWave Globalは、組み込みコンピューティングソリューション、 FPGAシステムオンモジュール（SoM）、およびODM設計サービスを提供するリーディングカンパニーです。26年以上にわたる卓越したエンジニアリング実績を持つiWaveは、最先端のプロセッサ技術を基盤とした高性能SoMを専門としています。FPGA、RF、AI、エッジコンピューティングアーキテクチャにおける深い専門知識を活かし、iWaveはグローバルなOEM企業と提携することで、製品開発の加速、技術リスクの低減、そしてミッションクリティカルなアプリケーション向けの信頼性の高いソリューションの提供を実現しています。
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