În cazul nodurilor Edge, unul dintre criteriile majore este consumul redus de putere – dar de ce contează acest lucru și care sunt implicațiile? Unii dezvoltatori de aplicații ar putea să nu recunoască acest lucru ca fiind o problemă, deoarece dispozitivele lor funcționează folosind alimentarea prin cablu, dar aceasta nu este întreaga poveste. Un consum redus de putere înseamnă, de asemenea, o autoîncălzire mai redusă a componentei – adică dispozitivul FPGA sau semiconductorul care operează nodul edge va rămâne mai rece, evitând necesitatea unui ventilator, “renumit” pentru apariția defecțiunilor. Mai puține componente înseamnă o dimensiune fizică mai mică, care poate încăpea într-o carcasă mai mică.
Un alt aspect de luat în considerare este că FPGA-urile sunt dispozitive semiconductoare, iar dacă se încălzesc, acest lucru poate reduce și durata lor de viață. Păstrarea acestora la o temperatură mai scăzută oferă un timp mediu mai lung până la defectare și o rată FIT mai scăzută (Failures in Time – reprezintă numărul estimat de defecțiuni la un miliard de ore de funcționare pentru un dispozitiv sau o componentă). O regulă generală în industria semiconductorilor este că, dacă reduceți temperatura joncțiunii cu aproximativ zece grade, reduceți la jumătate rata FIT. Într-o oarecare măsură, este vorba de un compromis între a obține un consum redus de putere și, prin urmare, o durată de viață mai lungă, cu un anumit număr de caracteristici, sau a avea un consum mai mare de putere, care să permită caracteristici suplimentare în proiect.
O rată FIT mai scăzută în hardware, datorată consumului redus de putere și temperaturii mai scăzute, facilitează, de asemenea, obținerea certificării produsului.
Eficiența înseamnă durată de viață
Care este arhitectura din spatele eficienței energetice și de ce contează cu adevărat? Comparând FPGA-urile de la Microchip cu FPGA-urile convenționale, FPGA-urile de la Microchip sunt construite pe baza tehnologiei nevolatile. Aceasta înseamnă că fluxul de biți, care definește configurația FPGA-ului, este stocat direct în celulele active – așadar, se află întotdeauna în interiorul FPGA-ului și nu este pierdut atunci când FPGA-ul este deconectat. La următoarea pornire, configurația este disponibilă imediat. În cazul dispozitivelor SRAM, celulele trebuie reîncărcate continuu, suportând și unele pierderi, ceea ce provoacă autoîncălzirea. Pentru dispozitive de dimensiuni similare, FPGA-urile utilizează, de regulă, aproximativ 50% din consumul de energie al arhitecturilor alternative.
Tehnologia nevolatilă a FPGA-urilor Microchip oferă, în plus, imunitate la perturbații unice (single event upsets sau SEUs), precum impactul cu neutroni și impactul cu alte particule, care pot modifica funcționalitatea FPGA-ului. Acest lucru elimină necesitatea unor sisteme de protecție suplimentare impuse de alte tehnologii.
Dacă ne uităm la aceeași aplicație, la aceeași complexitate FPGA și la același proiect pe trei FPGA-uri diferite, în partea stângă a diagramei vedem FPGA-ul PolarFire. Celelalte două sunt FPGA-uri ale competitorilor unde avem același design, același număr de tabele de căutare, aceleași blocuri rulate pe o placă FPGA de dimensiuni similare la aceeași temperatură ambientală. În testele termice, estimările au fost de aproximativ 45°C pentru PolarFire, aproximativ 65°C pentru dispozitivul de 16 nm și aproximativ 70°C până la 80°C pentru dispozitivul concurent de 28 nm.
Ce presupune acest lucru pentru durata medie înainte de defectare (MTBF – Mean Time Before Failure)?
Să luăm în considerare un proiect care rulează unul dintre sistemele noastre SoC și să îl comparăm cu un SoC bazat pe SRAM. Cu același proiect, aceeași scanare a temperaturii și consumul de energie înregistrat, curba timpului mediu până la defectare, pentru fiecare, este prezentată alăturat. La o temperatură ambientală de 50°C, SoC-ul PolarFire ajunge la aproximativ 70°C, iar sistemul bazat pe SRAM ajunge la aproximativ 110°C.
Pentru SoC-ul bazat pe SRAM, atingând 110°C, rata FIT ar fi de aproximativ 107. În cazul SoC-ului PolarFire, cu o temperatură de joncțiune de 70°C, rata FIT este de aproximativ 10, astfel încât o diferență de câteva zeci de grade face o diferență semnificativă în rata FIT. Acest contrast între valorile FIT determină o diferență semnificativă în ceea ce privește fiabilitatea dispozitivului pe teren.
Când alimentarea devine critică
Există o serie de aplicații în care performanța per watt este importantă. Printre acestea se numără camerele foto, sistemele de viziune industriale și sistemele de viziune inteligente. Un exemplu comun este nevoia de camere cu factori de formă foarte mici, care trebuie, totuși, să îndeplinească anumite sarcini sofisticate, cum ar fi interfațarea cu senzorul, procesarea, eventual efectuarea unor activități de învățare automată, criptare și conectare la rețea.
O aplicație în care consumul de energie este foarte important este cea a camerelor termice. Acestea sunt, de obicei, portabile și au nevoie de o baterie cu durată lungă de viață. De asemenea, camerele sunt relativ mici, astfel încât dezvoltatorii doresc să aibă un ansamblu mic care să accepte capsule 11 × 11. În plus, datorită nevolatilității configurației FPGA, nu avem nevoie de o memorie de configurare, economisind și mai mult spațiu pe placă.
Nivelul redus de autoîncălzire ajută la prevenirea interferențelor cu senzorul termic și, din nou, la conectarea prin interfețele MIPI. Aici intervin beneficiile FPGA-ului PolarFire. Într-o carcasă de dimensiuni reduse, avem capsule foarte optimizate proiectate pentru a opera pe PCB-uri foarte mici.
O altă aplicație este cea a dronelor profesionale. Aceasta necesită foarte des o combinație de control al motorului, fuziune a senzorilor și comunicație. Din nou, este necesar un consum redus de energie pentru a obține un timp de zbor maxim, comparabil cu cel pe care îl putem obține utilizând o arhitectură FPGA deterministă (un tip de FPGA care oferă predictibilitate în timp).
Placa FPGA pentru această aplicație include dispozitivul MPF 100 într-o capsulă compactă 11 × 11 plus un driver de linie pentru CoaXPress la o viteză de cinci gigabiți pe secundă. Circuitul este creat să comunice cu senzorul Sony, iar MIPI CSI-2 convertește datele brute în CoaXPress și apoi transmite semnalele prin transmițătoarele interne de mare viteză către driverul de linie. În plus, avem un procesor RISC-V pentru gestionarea funcțiilor administrative. Sunt disponibile instrumente Microchip care pot ajuta la dezvoltarea aplicațiilor FPGA și la analiza consumului lor de energie.
După cum am văzut, FPGA-urile Microchip oferă un avantaj în materie de putere față de concurență, oferind un consum redus de energie, cu 50 de procente. Un consum redus de putere presupune riscuri mai mici pentru sistem.
Instrumentele sunt disponibile pe site-ul Microchip și la alți furnizori, permițând comparații directe pentru vă asigura că FPGA-urile selectate oferă consumul de energie necesar aplicației.
Pentru mai multe informații accesați pagina: https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds
Autor: Martin Kellerman, Manager Marketing
Microchip Technology | https://www.microchip.com
