Miniaturizacija je danes ključna lastnost večine ugnezdenih sistemov. Želimo imeti več računalniške moči v žepu. Enakemu trendu sledi tudi večina ugnezdenih sistemov, ki temeljijo na FPGA.
Microchip Technology Inc.
Želimo vedno manjše industrijske in profesionalne kamere, medicinske ročne računalnike, manjše programirljive logične krmilnike (PLC) in module za pomoč voznikom v avtomobilih. Miniaturizacija prinaša tudi dodatne izzive – največjega lahko strnemo v en sam izraz “energetsko učinkovito delovanje”. Če se poveča zmogljivost sistema, se običajno poveča tudi poraba energije, kar posledično poveča potrebo po odvajanju toplote. Pri manjših modulih pa je odvajanje toplote glavobol, s katerim se oblikovalci spopadajo vsak dan. Hlajenje modula, da lahko deluje v toplotno omejenem okolju, pogosto postane ozko grlo zmogljivosti.
V tem članku je poudarjeno, kako FPGA-ji omogočajo tehnološko revolucijo naslednje generacije, saj zagotavljajo energetsko učinkovito delovanje v številnih novih velikoserijskih aplikacijah na vseh področjih življenja.
Kamere majhnega formata z algoritmi umetne inteligence usmerjajo kmete prek slik iz dronov, zagotavljajo videoanalizo v trgovskih verigah, štejejo potnike v prevoznih sredstvih in berejo registrske tablice na cestninskih postajah.
V medicini prenosni ultrazvočni aparati demokratizirajo oskrbo na terenu. Endoskopi in pametna očala za pomoč pri kirurgiji zdravnikom zagotavljajo slike veliko višje ločljivosti kot kdaj koli prej. Pametnejši postajajo tudi nadzorni sistemi, ki temeljijo na termoviziji in so namenjeni varovanju meja pred vsiljivci. Ti sistemi, ki so običajno nameščeni na oddaljenih lokacijah, morajo delovati avtonomno in ostati skriti.
Amaterski ustvarjalci vsebin so danes na udaru, kar povzroča potrebo po pretvornikih pretočnega videa na osnovi FPGA, ki ustvarjalcem ponujajo možnost pretvorbe 4K video tokov med vsemi formati, kot so HDMI, SDI, USB ali PCIe.
Pri industrijski avtomatizaciji sta koristni tudi prilagodljivost arhitekture, ki temelji na FPGA, in več kot 20-letna življenjska doba Microchipovih FPGA. Sistemi za pomoč voznikom v avtomobilski industriji danes skrbijo za varnost voznika in potnikov v naših avtomobilih.
FPGA arhitektura je prehodila dolgo pot. Od izbire med zmogljivostjo in močjo, ko se je FPGA uporabljal le kot platforma za izdelavo prototipov za drage ASIC, zdaj velja za mainstream, ki ponuja zelo zanesljive in stroškovno optimizirane arhitekture ter prilagodljivo in za uporabo enostavno programsko opremo.
Oglejmo si različne primere uporabe, v katerih imajo PolarFire® FPGA ali PolarFire SoC s svojim procesorskim sistemom RISC-V ključno vlogo.
Profesionalni droni
Za profesionalna brezpilotna letala veljajo stroge zahteve glede varnosti letenja:
- Natančno upravljanje in določanje položaja, vključno z izogibanjem trkom
- Zavarovane komunikacijske in nadzorne frekvence
- Predvidljiv čas letenja
Da bi bili uspešni na velikem trgu dronov, se morajo proizvajalci dronov razlikovati z zagotavljanjem dodatnih funkcij, kot sta slikanje visoke ločljivosti in umetna inteligenca. Droni pogosto potrebujejo več senzorjev, predobdelavo ali združevanje senzorskih podatkov in prenos teh podatkov prek brezžične povezave, zaradi česar so droni kompleksni sistemi.
Področje uporabe je zelo široko in vključuje spremljanje zdravstvenega stanja in rasti pridelkov v kmetijstvu, zaznavanje in morebitno sledenje predmetov v policiji, vojski ali presojo na daljavo v izrednih razmerah za gasilce ali policijo.
Elektronika za krmiljenje letenja mora biti sposobna krmiliti motor in hitrost rotorja, zajemati podatke s senzorjev in se povezati z oddaljeno opremo, vse to v okolju z omejeno velikostjo, težo in močjo.
Blokovni diagram takega sistema je lahko podoben naslednjemu, slika 1.
S prilagodljivo FPGA arhitekturo se motorji poganjajo s FOC (Field-Oriented Control) algoritmi, pri katerih je zaradi zmogljivosti FPGA mogoče krmiljenje multipleksirati v časovnem območju. Več motorjev se krmili s skupnim IP-jem za krmiljenje motorjev, pri čemer je natančno število motorjev odvisno od izbrane arhitekture FPGA.
Visoka natančnost FOC omogoča konstanten navor na motorjih, kar zagotavlja bolj gladko delovanje z manj vibracijami, manj šuma in, kar je najpomembneje, podaljša čas leta za približno 10 odstotkov ali več v primerjavi s standardnimi krmilniki motorjev, ki uporabljajo preproste mikrokontrolerje.
Dodatne vmesnike, kot so vizualni svetlobni, gibalni ali infrardeči senzorji, ki se uporabljajo za podporo izboljšanih funkcij, kot je strojni vid, je treba skrbno preučiti in so v preteklosti zahtevali specializirano strokovno znanje. Microchipov VectorBlox™ SDK in matrični IP procesor pomagata začetnikom razvijalcem FPGA pri uvajanju zapletenih algoritmov nevronskih mrež v FPGA. To omogoča klasifikacijo ali detekcijo pri zelo majhni porabi energije. Nevronske mreže, ki delujejo na tem pospeševalniku-IP, so zasnovane z uporabo standardnih ogrodij, kot sta TensorFlow ali Caffe.
Vsi rezultati so shranjeni v lokalnem pomnilniku v vozilu in nato preneseni v brezžični modul v vozilu. Ta komunicira z upravljavcem, kjer so zbrani podatki sprejeti za shranjevanje in nadaljnjo uporabo. Najboljše varnostne funkcije v svojem razredu naprav PolarFire ščitijo prenesene podatke in sam dron pred nepooblaščenim dostopom.
Pri kompleksni arhitekturi dronov, ki potrebuje več področij uporabe – krmiljenje motorjev, krmiljenje letenja in slikanje -, uporaba FPGA zagotavlja prednost vzporednega izvajanja posameznih “nalog”.
Profesionalni sistemi dronov morajo običajno delovati z omejenim proračunom moči, ki znaša 5 W ali manj. Z uporabo PolarFire FPGA za upravljanje več aplikacij se pričakuje poraba energije manj kot 1,5 W za FPGA, vključno z delovanjem nevronskega omrežja.
Prenosni ultrazvok
Zaradi težnje po miniaturizaciji, skupaj z energetsko učinkovitimi računalniškimi viri na robu in izboljšanimi toplotnimi vidiki, inovacije na področju medicinskega slikanja z nizko porabo energije skokovito naraščajo. Vodilna je diagnostika na mestu oskrbe, kot je prenosna ultrazvočna oprema, sestavljena iz ročnega pretvornika, ki bere in pošilja sonografske podatke v standardni pametni telefon. Prenos se lahko izvede s preprostim kablom ali brezžično. Ti sistemi pomenijo revolucijo in demokratizacijo diagnostičnih zmogljivosti za osebje nujne medicinske pomoči na kraju nesreče, v manj razvitih regijah in pomagajo zdravstvenim delavcem pri sprejemanju diagnostičnih odločitev zunaj tradicionalnih bolnišničnih okolij.
Naslednji blok diagram prikazuje primer izvedbe, slika 2.
Uporaba PolarFire FPGA v ročnem medicinskem pripomočku zagotavlja najnižjo skupno moč sistema, kar vodi do učinkovitih toplotnih tokov in ohranja glavo pretvornika hladno, kar omogoča neposreden stik s kožo. Te učinkovitosti podaljšujejo čas delovanja v kompaktnem ohišju velikosti le 11×11 mm², ki podpira zelo majhna ohišja za sonde.
Video pretvorniki
Drugo področje, kjer je prilagodljivost v kombinaciji z majhno porabo energije in majhnim fizičnim odtisom bistvenega pomena, je področje video pretvornikov. Visokozmogljive profesionalne kamere običajno zagotavljajo en sam podatkovni vmesnik, kar omejuje izbiro opreme za naknadno obdelavo, ki podpira ta poseben vmesnik. Video pretvornik, ki omogoča povezavo z več standardi vmesnikov, omogoča prilagodljivost pri izbiri opreme za naknadno obdelavo. Zmogljivost ni ogrožena, saj so podprti različni protokoli s številnimi večgigabitnimi transiverji in optimiziranimi hitrostmi do 12,7 Gb/s, ki podpirajo HDMI, CoaXPress, SDI in Ethernet protokole. Oblikovni faktorji pretvornikov so kompaktni, saj hladilniki in ventilatorji niso več potrebni. Video pretvorniki, zgrajeni na podlagi tehnologije PolarFire, po ocenah porabijo manj kot 2 W energije. Tukaj je primer zasnove video pretvornika, slika 3.
Industrijska avtomatizacija
Za primere demonstracije sta uporabljena dva različna primera uporabe, in sicer industrijske kamere in PLC.
Industrijske kamere običajno zahtevajo visoko hitrost slikanja, visoko ločljivost in majhno obliko, zaradi česar je toplotna zasnova pogosto velik izziv. Zaradi optimizirane razporeditve priključkov na ohišju in učinkovitih toplotnih karakteristik se je mogoče s tem izzivom zlahka spopasti. Nizka statična poraba energije omogoča, da naprava ostane hladna, kar izboljša načrtovanje toplotnega upravljanja. Ločljivost ni ogrožena, slikovne podatke do 4K s 60 sličicami na sekundo je mogoče enostavno obdelati s sprejemnimi vmesniki MIPI CSI-2, ki nativno podpirajo do 1,5 Gb/s/linijo.
Čeprav je fizično večji kot celoten sistem, so PLC-ji podobno kot kamere prostorsko in energetsko omejeni.
Ti sistemi, ki temeljijo na omarah, so modularni in končnim uporabnikom omogočajo, da prilagodijo svoj sistem, na voljo pa so tudi standardne širine ohišja. Obdelovalna zmogljivost je še vedno nujna za podporo industrijskega etherneta, vmesnikov človek-stroj, krmiljenja motorjev in gonilnikov ter operacijskih sistemov v realnem času (RTOS).
Naslednja grafika prikazuje splošni blok diagram takega sistema, ki je preslikan na PolarFire SoC, prvi FPGA-SoC, zgrajen na štirijedrnem procesorju RISC-V. PolarFire SoC nativno podpira asimetrično večopravilnost (AMP), skupaj s fiksno, fino granularno dodelitvijo predpomnilniških poti posameznim procesorjem. Ta nativna podpora AMP omogoča večopravilnost. Na primer, eno procesorsko jedro je lahko dodeljeno za industrijski eternetni protokolni niz, medtem ko lahko drugo jedro poganja operacijski sistem Linux. Ustrezni predpomnilnik je določen, Linux pa je ločen od drugih strojnih virov. Poleg tega se lahko drugi dve razpoložljivi jedri uporabita za obdelavo zahtevanih algoritmov za krmiljenje motorja ali inverterja.
Nizka poraba energije ima ponovno pomembno vlogo pri ohranjanju nizke temperature elektronskih komponent v modulih blade, tudi v zahtevnih toplotnih okoljih s temperaturo okolice 60 °C in več.
Za podrobnejši pregled, zakaj je nizka poraba energije pomembna v sistemih, ki se napajajo s kabli, si oglejte naslednji članek, ki je objavljen na Microchipovih blogih:
https://www.microchip.com/en-us/about/blog/learning-center/low-power-system-saving-even-in-plug-in-devices
Industrijska avtomatizacija zajema široko paleto aplikacij in zahtev. Za industrijske izdelke je značilno, da je treba zagotoviti podporo in razpoložljivost naprav za 20 let ali več. Microchip je v celoti predan tej zahtevi po dolgoživosti in nudi podporo z zanesljivim programom “zagotavljanja dobave”.
Avtomobilska industrija
Na današnjem avtomobilskem trgu je za številne različne aplikacije potrebna FPGA prilagodljivost, od senzorjev, kot so LIDAR, slikovni radarji ali kamere, do bolj skritih funkcij, kot je zelo natančno in sinhronizirano krmiljenje elektromotorjev z visokonapetostnimi gonilniki. Zelo razširjena aplikacija je uporaba kamer za opozarjanje na trke. Te kamere omogočajo zaznavanje nevarnih situacij s povratno informacijo vozniku ali tudi z neposrednim nadzorom v vozilu, na primer s samodejnim aktiviranjem zavor.
Ti sistemi imajo stroge zahteve glede funkcionalne varnosti, zaščite in obdelave z nizkimi zakasnitvami ter zmožnost zanesljivega delovanja v okoljih z visoko temperaturo, ki jo povzročata toplota motorja in sončna svetloba. Naslednji diagram prikazuje nastavitev sistema z napravo PolarFire MPF050T; varnostni elementi so označeni z rumeno, zaščitni pa z zeleno, slika 5.
Vgrajeni zaščitni nevolatilni pomnilnik (sNVM) omogoča shranjevanje ključev voznega parka za preverjanje pristnosti v modulu kamere v omrežju vozila. Prejeti slikovni okvirji se obdelujejo v pretočnem načinu z uporabo vzporedne narave FPGA in so dodatno opremljeni z dodatnimi varnostnimi informacijami, kot sta število okvirjev in CRC za zaščito komunikacije od konca do konca. Pretočna obdelava slikovnih podatkov preprečuje nevarnost uporabe “zamrznjenih slik” iz pomnilnika in omogoča obdelavo s fiksnim časom izvajanja, kar neposredno pomeni več časa za odzivanje sistema. Odvisno od natančnih zahtev OEM FPGA zagotavlja tudi potrebno prožnost za podporo povezavam z različnimi uveljavljenimi lastniškimi serializatorji.
Vsem aplikacijam so skupni poslovni dejavniki za uspešno dajanje izdelka na trg, ki pa niso podrobno opisani zgoraj. Če želite zmanjšati tveganje, hkrati pa doseči stranko pred konkurenco in optimizirati sistemske stroške ter hkrati zagotoviti dobiček, je treba skrbno preučiti arhitekturo vašega sistema in partnerja za dobavo. Celovita ponudba Microchipa ponuja partnerstvo za celovite sistemske rešitve. Izkoristite ključne komponente in rešitve referenčnih zasnov za zmanjšanje razvojnega tveganja in števila komponent. Razvijalci lahko prihranijo tudi čas in denar, saj so rešitve potrjene za navzkrižno funkcionalnost in v mnogih primerih ponujajo garancije.
Za več informacij obiščite:
https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fpgas
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
