與更主流的獨(dú)立顯卡相比，為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)基于獨(dú)立顯卡處理器的系統(tǒng)面臨著截然不同的挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)這些系統(tǒng)經(jīng)常用于工業(yè)自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字標(biāo)牌、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域時(shí)和賭場(chǎng)游戲。諸如此類的嵌入式系統(tǒng)通常必須承受極端溫度，并滿足額外的沖擊和振動(dòng)、冷卻和生命周期要求。

三種標(biāo)準(zhǔn)嵌入式顯卡格式——直接安裝在主板上的多芯片模塊 （MCM）、連接到主板的移動(dòng) PCI Express 模塊 （MXM） 和外圍組件互連 Express （PCIe） 顯卡——每種都有自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮，并且許多應(yīng)用程序都有自己獨(dú)特的要求和挑戰(zhàn)。

高性能 3D 圖形和計(jì)算性能

當(dāng)今的嵌入式應(yīng)用程序具有舊解決方案所沒有的高性能 3D 圖形和計(jì)算能力。例如，工業(yè)制造設(shè)施中的操作員不斷監(jiān)控系統(tǒng)上的流程，這些流程已從基于文本的靜態(tài)顯示變?yōu)楦?xì)和直觀的 3D 圖形表示。賭場(chǎng)游戲解決方案現(xiàn)在需要更多的處理能力和身臨其境的 3D 圖形來吸引玩家的注意力。先進(jìn)的獨(dú)立圖形處理器現(xiàn)在支持具有改進(jìn)的 3D 和視頻性能的多個(gè)顯示器，這對(duì)于許多工業(yè)車間監(jiān)控應(yīng)用和賭場(chǎng)游戲機(jī)來說是必不可少的。

醫(yī)學(xué)影像行業(yè)也在迅速采取行動(dòng)，在護(hù)理點(diǎn)采用 3D 可視化。例如，牙醫(yī)以前提供基于傳統(tǒng) 2D X 射線膠片和燈箱照明器的靜態(tài)渲染的診斷和治療建議，牙醫(yī)及其患者現(xiàn)在可以通過新一代更清晰地觀察牙齒和牙齦連接到牙科椅的視頻和圖形優(yōu)化的 3D 觸摸屏面板。

圖形處理器選項(xiàng)

希望在緊湊、節(jié)能的嵌入式系統(tǒng)中提供諸如此類的高清視覺體驗(yàn)的開發(fā)人員可以利用 GPU 的并行處理性能。一些 GPU 集成了片上內(nèi)存，無需外部圖形內(nèi)存，這進(jìn)一步降低了 PCB 設(shè)計(jì)和布局、內(nèi)存調(diào)整和內(nèi)存采購物流的復(fù)雜性。GPU 可以支持3D 應(yīng)用程序編程接口 （API），例如OpenGL ES，以及基于硬件的視頻壓縮和解碼。如果圖形處理器支持多種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)，包括 VxWorks、Green Hills 和 Linux，開發(fā)人員還可以擁有更大的靈活性。

2014 年 2 月推出的 AMD 嵌入式 Radeon E8860 GPU 就是提供這些功能的 GPU 示例，可幫助開發(fā)人員從小型嵌入式系統(tǒng)交付桌面級(jí)圖形。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

開發(fā)人員如何決定實(shí)施離散嵌入式圖形解決方案通常取決于應(yīng)用程序?qū)⑹艿蕉嗌贈(zèng)_擊和振動(dòng)，以及升級(jí)要求。

MCM 是所有設(shè)計(jì)選項(xiàng)中最堅(jiān)固且可能最小的。MCM 由封裝在單個(gè)基板上的獨(dú)立圖形半導(dǎo)體芯片和內(nèi)存組成，該基板直接安裝在主板上。MCM 在 PCB （33 mm x 33 mm） 上占用的空間更少，可實(shí)現(xiàn)最佳、低功耗、緊湊的設(shè)計(jì)。MCM 解決方案通常是加固環(huán)境的最佳選擇，因?yàn)閳D形芯片安裝在主板上，因此對(duì)于必須應(yīng)對(duì)沖擊和振動(dòng)的應(yīng)用來說非常安全。

從設(shè)計(jì)的角度來看，使用 MXM 解決方案為開發(fā)人員提供了比 MCM 解決方案更多的設(shè)計(jì)靈活性。MXM 最初旨在為筆記本電腦創(chuàng)建一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的插座，以確保用戶可以輕松升級(jí)其圖形處理器，而無需購買新系統(tǒng)。MXM 通過專門的 MXM 接口連接到主板，并且比典型的 PCIe 卡更小。但是，從設(shè)計(jì)的角度來看，與 MCM 相比，接口和模塊在主板上占用的空間更大。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是可以互換。開發(fā)人員可以稍后將其替換為性能更高的模型或創(chuàng)建自定義版本。

MXM 解決方案不如 MCM 解決方案堅(jiān)固耐用；可能有一定程度的移動(dòng)，但由于 MXM 包含在一個(gè)相當(dāng)小的包裝中，因此不太可能移動(dòng)。但是，MXM 模塊可以物理地固定在主板上以適應(yīng)沖擊和振動(dòng)。

當(dāng)開發(fā)人員需要更高分辨率的 3D 渲染或視頻播放等高端圖形以及額外的顯示輸出（從兩個(gè)或三個(gè)顯示器增加到六個(gè)或八個(gè)顯示器）時(shí)，他們通常會(huì)選擇 PCIe 解決方案作為選項(xiàng)。該卡連接到主板上的 PCIe 插槽，在物理上是三個(gè)選項(xiàng)中最大的一個(gè)，長(zhǎng)度為 6.5 英寸到 13 英寸。它也很重，通常是 MXM 或 MCM 重量的兩倍，重達(dá)數(shù)磅時(shí)重五倍，因此可能存在沖擊和振動(dòng)問題。開發(fā)有可能在壓力環(huán)境中部署的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保牢固安裝以最大程度地減少過度振動(dòng)，并應(yīng)努力識(shí)別壓力點(diǎn)。

極端溫度、冷卻和生命周期要求

在沖擊和振動(dòng)之后，其余變量涵蓋所有三種設(shè)計(jì)架構(gòu)：極端溫度、冷卻和生命周期要求。

在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)的極端溫度標(biāo)準(zhǔn)為 -4 0 °C至 +12 0 °C。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保其 GPU 供應(yīng)商的處理器符合這些標(biāo)準(zhǔn)，這意味著超出標(biāo)準(zhǔn)0 °C至 +10 5 °C的額外測(cè)試和認(rèn)證水平。

設(shè)計(jì)人員可以通過連接有源風(fēng)扇或使用無源散熱器來散熱來冷卻 GPU。任何一種解決方案都可能需要必須考慮系統(tǒng)環(huán)境的專用版本。如果它破壞了氣流設(shè)計(jì)，則可能無法采用主動(dòng)解決方案。在特定溫度下需要特定氣流的被動(dòng)解決方案可能無法充分冷卻圖形設(shè)備。有時(shí)需要定制解決方案，例如當(dāng)無源散熱器需要物理連接到系統(tǒng)的金屬外殼以使用系統(tǒng)更大的金屬表面作為冷卻介質(zhì)時(shí)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)的消費(fèi)圖形系統(tǒng)可能會(huì)持續(xù)幾年，但許多嵌入式項(xiàng)目的生命周期為 7 到 10 年。這意味著零件也必須在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可用。一些 GPU 供應(yīng)商（例如 AMD）為嵌入式部件提供更長(zhǎng)的使用壽命。如果沒有這樣的支持，設(shè)計(jì)人員需要清點(diǎn)他們的零件并將它們保存在特殊的存儲(chǔ)中以確保長(zhǎng)期生存能力（他們還必須計(jì)劃潛在的產(chǎn)量損失）。

這是一個(gè)圖形世界

基于源自主流商業(yè)圖形解決方案的技術(shù)，嵌入式獨(dú)立圖形解決方案取得了巨大進(jìn)步。對(duì)于某些應(yīng)用——例如數(shù)字標(biāo)牌、醫(yī)學(xué)成像和賭場(chǎng)游戲——它們必須在一些相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中運(yùn)行。通過正確的設(shè)計(jì)選擇，開發(fā)人員可以創(chuàng)建提供下一代驚人 3D 圖形的新型嵌入式系統(tǒng)。

審核編輯：郭婷