GMSL、車載用アプリケーション以外にも拡大

ビジョンアプリケーションでは、映像を高品質に保つため、大量のデータストリームが必要となります。フルHD画像は、1080行 × 1920列で構成され、総画素数は200万を超える規模となります。これを毎秒60フレームで伝送する場合、生データレートは瞬く間にギガビット毎秒の域に達します。そこで、製品設計者は、ギガビット・マルチメディア・シリアル・リンク（GMSL）の利点を活用することができます。

当初はMaximによって開発され、現在はAnalog Devices, Inc.の製品ラインアップに含まれているGMSLは、最先端の高速ビデオおよびデータリンク技術として進化を続けています。車載用高速映像およびデータ伝送アプリケーション向けに開発され、現在では3世代（GMSL1、GMSL2、GMSL3）を経て、全世界で9億個以上のICが出荷されています。高速で低遅延の映像やセンサデータの伝送が重要な、自動車以外のさまざまなアプリケーションでの採用が急増しています。

• ロボティクスや検査システムにおけるマシンビジョンカメラの接続にGMSLが使用され、EMIや長距離ケーブル配線が課題となる工場現場においても、従来のインターフェースでは困難な信頼性の高い性能を提供しています。
• 医療機器分野では、GMSLは、特に最小限のケーブル配線と待ち時間が不可欠な小型システムにおいて、GMSLは手術用、診断用カメラからのリアルタイム映像伝送を可能にしています。
• 航空宇宙および防衛分野の設計者は、航空機、ドローン、監視システムにおいてミッションクリティカルな画像やセンサデータを伝送するためにGMSLを採用し、同技術の堅牢性と診断性の恩恵を受けています。
• 鉄道および公共交通システムでは、GMSLを使用して車両と制御ユニット間で映像フィードや乗客情報を伝送しています。

これらの産業分野において、GMSLが有する帯域幅、耐障害性、簡便性の組み合わせは、カメラやデータ駆動システムの要求に応える設計者の支援となります。GMSLはハイエンドソリューションと見なされることが多いものの、堅牢高速映像やセンサリンクを必要とする少量生産のプロフェッショナル向け機器にも適用可能です。

中核機能

GMSLは単一ケーブル（通常は同軸またはシールド付きツイストペア（STP）ケーブル）で映像、音声、制御信号、電源を伝送するために設計された高速シリアライザ/デシリアライザ（SerDes）技術です。GMSLは非対称全二重通信をサポートし、高帯域映像伝送用の順方向チャンネルと、低周波制御信号用の逆方向チャンネルを備えています。

この技術は、最新バージョンにおいて最大15mの距離と6Gbpsを超える速度をサポートします。これらの機能により、GMSLは8MP（800万画素）センサや4K+ディスプレイを含む高解像度映像のサポートが可能となります。

自動車の運転支援システムから産業用マシンビジョンに至るまで、多くの最新アプリケーションはリアルタイムの高解像度映像に依存しています。フルHDのフレームは200万画素を有します。各赤、緑、青チャンネルに8ビットずつ、合計24ビットを割り当てる画素の場合、1フレーム当たり非圧縮データ量が50Mバイトに達します。

1系統の非圧縮1080pビデオストリーム（60フレーム/秒）でさえ、3Gbpsを超える帯域幅を必要とする場合があり、これは色深度、同期、誤り訂正のオーバーヘッドを加える前の数値です。GMSLは、単一の同軸ケーブルまたはSTPケーブルで毎秒数ギガビットを伝送できるため、設計者は、複雑さを増し、遅延をもたらす圧縮方式に頼ることなく、鮮明で低遅延の映像を提供することができます。

遅延（レイテンシ）は、時間依存アプリケーションにおける重要な懸念事項です。車両の前方カメラで危険検知支援や、アセンブリライン上でのロボットの把持調整など、映像伝送におけるわずかな遅延でさえ、性能や安全性を損なう可能性があります。

GMSLの高速リンクは、映像やセンサデータのほぼ瞬時の伝送を実現し、リアルタイムのフィードバックと意思決定に依存するシステムに最適です。これは、アセンブリライン上の危険検知など、遅延が懸念されるアプリケーションにおいて極めて重要です。

GMSLのもう1つの重要な特長は、特にスペース制約やコスト重視の設計において、データ伝送と同じケーブルを介した統合型電源供給をサポートしている点です。PoC（Power over Coax）として知られるこの機能により、単一の同軸ケーブルで、カメラ、ディスプレイ、センサなどのリモートデバイスへの映像、制御信号、電源の伝送が可能となります。これにより、別途の電源ラインの必要性がなくなり、配線の複雑さ、重量、コストを削減できます。

PoCは第1世代からGMSLの中核的な機能であり、長距離ケーブル配線や柔軟な配線が必要な自動車、産業、組み込みアプリケーションで特に価値があります。世代を重ねるごとに、PoCはより高い電源レベル、効率の向上、優れたEMI性能をサポートするように進化してきました。さらに、より複雑なマルチデバイスシステム設計を支えるための診断機能や保護機能も強化されています。

GMSLの各世代の説明

第1世代のGMSLは2008年にリリースされ、低電圧差動信号（LVDS）規格を利用し、最大3.125Gbpsのパラレルデータダウンリンクレートを実現しました。この規格は、複数のカメラシステムやその他の先進運転支援システム（ADAS）アプリケーションからのデータ伝送、ならびに車載の高精細フラットパネルディスプレイの普及拡大に特に適していました。GMSL1コンポーネントは、コスト重視や帯域幅が中程度のアプリケーションに取り組む製品設計者にとって、現在も有効かつ広く入手可能な選択肢であり、GMSL2互換レシーバによって十分にサポートされています。

• MAX96705は、最大1.5GbpsのデータレートをサポートするPoC内蔵の小型でコスト効率に優れたGSML1シリアライザです。GMSL2やGMSL3の帯域幅を必要としない、エントリレベルの車載用ビジョンシステム、産業用検査カメラ、その他のビジョンアプリケーションに適しています。

GMSL2は、独自の高速シリアルプロトコルを採用しており、単一の差動ペア上で、組み込みクロッキング、強化されたEMI性能、高いデータレートを実現します。特に注目すべき点は、利用可能な帯域幅が2倍の6Gbpsに倍増されたことで、より高解像度ビデオストリームやフレームレートの向上、さらには複数のカメラの集約化さえ可能になりました。これにより、個別のクロックラインが不要になり、配線の複雑さが軽減され、長距離での信号の完全性が向上します。GMSL2はGMSL1との下位互換性を維持しているため、プラットフォーム全体の全面的な見直しを必要とせず、より高性能な設計への移行を容易にします。

• MAX96716Aはデュアル入力デシリアライザで、GMSL1とGMSL2リンクの両方をサポートし、レーンあたり最大6Gbpsのデータレートに対応します。出力はSoCやビジョンプロセッサ向けの共通インターフェースであるMIPI CSI-2に接続されます。内蔵のI²Cブリッジング、PoCサポート、前方誤り訂正（FEC）により、マルチカメラ設定やホストインターフェースの再設計を必要とせずに、新旧シリアライザを接続する、信頼性が高く柔軟な優れたソリューションです。

GMSL2は、従来のLVDSでは不十分な車載および産業用アプリケーションの厳しい電磁両立性（EMC）要件を満たしてます。さらにGMSL2は、非圧縮映像と圧縮映像双方のサポートを追加し、システムの制約に応じて設計者の柔軟性をより高めています。GMSL1とは異なり、内蔵クロックを採用することでEMIを低減し、ケーブル設計を簡素化しています。

GMSL2のその他の世代的な改良点としては、制御データ処理の改善が挙げられます。I²C、SPI、GPIO、音声の伝送遅延を低減するとともに、組み込み診断機能と誤り検出機能を備え、システムの堅牢性を高めています。

GMSL3はさらに、集約機能をサポートすることでビジョンアプリケーションをさらに進化させました。これにより、複数の高解像度ビデオストリーム、双方向制御信号（I²C、GPIO、SPIなど）、音声を単一のケーブルで伝送することが可能となりました。これにより配線が簡素化され、スペースに制約のある設計における重量と複雑さが軽減されます。

多くの現代的なアプリケーションでは、カメラなどの複数の映像ソースと、センサやディスプレイなどの周辺機器が、中央処理装置と同時に通信する必要があります。

GMSL3は、シリアルレーンあたり最大6Gbpsのデータレートをサポートし、複数のレーンを使用した構成により、スループットをさらに向上させることが可能です。

• MAX96793GTJ/VY+は小型のGMSL3シリアライザであり、最大4レーンのMIPI CSI-2ビデオを入力し、単一の12Gbps GMSL3リンクを出力します。GMSL2への下位互換性も内蔵されています（図1）。

図1：GMSL2との下位互換性を内蔵したMAX96793 GMSL3シリアライザは、高解像度マルチカメラシステムやGMSL2からのアップグレードにおいて、設計者に効率的なソリューションを提供します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

• ADIのMAX96792Aは高性能デュアルレーンGMSL3/GMSL2デシリアライザであり、2つのシリアルレーンを集約して合計12Gbpsのシリアル化された映像、制御、音声データを実現します（図2）。これにより、デュアルMIPI CSI-2インターフェースを介したマルチカメラまたは高解像度ビデオキャプチャが可能となり、先進運転支援システム、自律走行車、高度なマシンビジョン、その他の高帯域幅アプリケーション向けの機能を提供します。GMSL3とGMSL2の両方をサポートすることで、製品ライン全体でのアップグレードが簡素化されます。（GMSL2モードで動作する場合、MAX96717RGTJ/V+GMSL2シリアライザとの組み合わせが可能です。）

図2：MAX96792AデュアルレーンGMSL3/GMSL2デシリアライザは、高度なビジョンアプリケーション向けの機能を提供します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

設計者は評価ボードや開発キットを利用し、GMSL3の機能を検証するとともに、実際のハードウェアを用いた試作が可能です。

• MAX96793シリアライザICを搭載したMAX96793-ACK-EVK#（図3）を使用することで、設計者は高速GMSL3およびGMSL2ビデオリンクの試作とテストを迅速に行うことが可能です。MIPI CSI-2入力を同軸またはSTPを介して最大12GbpsのGMSL3出力に変換できます。

図3：MAX96793-ACK-EVK#は、MAX96793シリアライザを用いたGMSL3アプリケーションの試作を実現します。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

• MAX96792A用評価ボードMAX96792A-BCK-EVK#（図4）は、デュアルレーンGMSL3/GMSL2デシリアライザ評価ボードであり、PAM-4信号伝送による同軸ケーブルまたはSTPケーブルを介した2つの6Gbpsレーン（合計12Gbps）を使用した、フル機能のGMSL3動作を実証します。

図4：MAX96792A-BCK-EVK#評価キットには、試作用途向けのGSML3デシリアライザが含まれています。（画像提供：Analog Devices, Inc.）

幅広い採用と堅牢なエコシステム

ADIのGMSL技術は、自動車、産業、医療、航空宇宙分野において業界全体で広く採用されています。高速映像伝送、電源供給、EMI耐性、システムレベルの統合を兼ね備えているため、オープンプロトコルでは不十分な高性能ビジョンシステムにおける事実上の標準となっています。

ADIは、シリアライザ、デシリアライザ、カメラモジュール、開発ツールからなる堅牢なエコシステムを基盤とし、過酷な環境下でのリアルタイムビデオおよびセンサリンク展開に向けた実績のある拡張可能なプラットフォームを提供しています。

GMSLの各世代にわたる下位互換性は、重要な特長です。GMSL2は多くの構成においてGMSL1と下位互換性があり、GMSL2用に設計された特定のシリアライザおよびデシリアライザは、GMSL1デバイスと組み合わせた場合、GMSL1モードで動作することが可能です。これにより、設計者は既存のハードウェアを活用しながら、設計の拡張が可能となります。

GMSL3は根本的に異なる信号伝送プロトコルと高速アーキテクチャを採用していますが、ADIではGMSL2とGMSL3のデュアルモードで動作するコンポーネントを提供しています。これにより設計者は、段階的なシステムアップグレードの実施や、ハイエンドのGMSL3ベースモデルとローエンドのGMSL2ベースモデルといったマルチプラットフォーム製品ラインの提供など、柔軟な対応が可能となります。

まとめ

GMSLは、設計の複雑さを簡素化し、配線を削減するとともに、組み込みシステムやエッジシステムにおける高帯域幅、低遅延データへの需要増大に対応します。GMSLの高度な信号調節と誤り訂正機能により、過酷な環境下や15m以上の距離においても、高速かつ高信頼性のリンクを維持することが可能です。一方、USB、HDMI、MIPI CSiなどの他のインターフェースでは、特に車両や工場内のノイズの多い環境において、この距離を超えると信号劣化が生じることが一般的です。GMSLの各世代間の下位互換性により、新しいコンポーネントを既存システムにシームレスに統合することが可能となります。これにより、設計を全面的に変更することなく段階的なアップグレードが可能となり、製品ライン全体におけるコスト、性能、サプライチェーンの柔軟性のバランス調整に貢献します。