Miniaturizarea este o trăsătură esențială în majoritatea sistemelor embedded de astăzi. Ne dorim mai multă putere de calcul în dispozitivele noastre. Majoritatea sistemelor embedded bazate pe FPGA urmează, de asemenea, aceeași tendință. Ne dorim camere industriale și profesionale mai mici, aparate medicale portabile, controlere logice programabile (PLC) mai mici și module de asistență pentru șoferi în automobile. Miniaturizarea ridică, de asemenea, provocări suplimentare − cea mai mare dintre acestea poate fi condensată într-un singur termen “performanță eficientă din punct de vedere energetic”. În general, dacă performanța unui sistem crește, atunci crește și consumul de putere, ceea ce, la rândul său, sporește disiparea de căldură. Iar în cazul modulelor mai mici, disiparea căldurii reprezintă o adevărată problemă a sistemului cu care proiectanții se confruntă în fiecare zi. Răcirea unui modul astfel încât acesta să poată opera într-un mediu cu constrângeri termice ajunge adesea să devină un obstacol în calea performanței.
Camerele de mici dimensiuni care rulează algoritmi de inteligență artificială ghidează fermierii prin intermediul imaginilor obținute cu ajutorul dronelor, oferă analiză video în lanțurile de magazine, numără pasagerii în mijloacele de transport și citesc plăcuțele de înmatriculare în stațiile de taxare.
În domeniul medical, aparatele portabile cu ultrasunete “democratizează” acordarea asistenței medicale pe teren. Endoscoapele și ochelarii inteligenți de asistență chirurgicală oferă medicilor imagini cu o rezoluție mult mai mare decât până acum. Sistemele de supraveghere bazate pe imagistică termică proiectate pentru a proteja frontierele împotriva intrușilor devin, de asemenea, mai inteligente. Implementate, în general, în locații îndepărtate, aceste sisteme trebuie să funcționeze autonom, rămânând în același timp ascunse.
Creatorii amatori de conținut, foarte la modă în prezent, determină nevoia de convertoare de streaming video bazate pe FPGA, care permit acestora să convertească fluxurile video 4K între orice format, cum ar fi HDMI, SDI, USB sau PCIe.
Automatizarea industrială beneficiază, de asemenea, de flexibilitatea arhitecturilor FPGA și de longevitatea de peste 20 de ani a FPGA-urilor Microchip. Sistemele de asistență pentru șoferi din industria auto mențin șoferul și pasagerii în siguranță în mașinile lor de astăzi.
Arhitectura FPGA a parcurs un drum lung. De la alegerea între performanță și putere și de la a fi folosite doar ca platformă de prototipare pentru ASIC-uri costisitoare, FPGA-urile sunt considerate în prezent ca fiind de larg consum, oferind arhitecturi extrem de fiabile și optimizate din punct de vedere al costurilor, împreună cu un software flexibil și ușor de utilizat.
Să aruncăm o privire la câteva exemple de cazuri de utilizare în care FPGA-urile PolarFire® sau SoC-urile PolarFire, cu sistemul lor de procesare RISC-V întărit, joacă un rol vital.
-
Drone profesionale
Dronele profesionale au cerințe stricte în ceea ce privește siguranța zborului:
- Control și poziționare precisă, inclusiv evitarea coliziunilor
- Frecvențe de comunicație și control securizate
- Timp de zbor previzibil
Pentru a avea succes în această piață mare a dronelor, producătorii de drone trebuie să se diferențieze prin adăugarea de caracteristici suplimentare, cum ar fi imagistica de înaltă rezoluție și inteligența artificială. Dronele necesită adesea senzori multipli, pre-procesarea sau fuziunea datelor senzorilor și transferul acestor date prin intermediul unei conexiuni wireless, ceea ce le face să fie sisteme complexe.
Figura 1 (Sursă imagine: Microchip Technology)
Gama de aplicații este foarte largă și include monitorizarea sănătății și a stării de creștere a culturilor în agricultură, detectarea obiectelor și, eventual, urmărirea acestora în domeniul polițienesc, militar sau judecarea de la distanță în situații de urgență pentru departamentele de pompieri sau poliție.
Electronica de control al zborului trebuie să fie capabilă să gestioneze controlul motorului și viteza rotorului, să interacționeze cu senzorii și să se conecteze cu echipamentele de la distanță, toate acestea într-un mediu cu dimensiuni, greutate și putere limitate.
O diagramă bloc pentru un astfel de sistem poate arăta conform figurii 1.
Bazându-se pe arhitectura FPGA flexibilă, motoarele sunt acționate de algoritmi de control orientat după câmp (FOC – Field-Oriented Control), unde controlul poate fi multiplexat în domeniul timp grație performanței FPGA-urilor. Mai multe motoare sunt controlate de un IP comun de control al motoarelor, numărul exact de motoare depinzând de arhitectura FPGA aleasă.
Precizia ridicată a tehnologiei FOC permite un cuplu constant asupra motoarelor, ceea ce duce la o funcționare mai lină, cu mai puține vibrații, mai puțin zgomot și, cel mai important, la prelungirea timpului de zbor cu aproximativ 10% sau mai mult, în comparație cu controlerele standard ale motoarelor care utilizează microcontrolere simple.
Interfețele suplimentare, cum ar fi senzorii de lumină, de mișcare sau de infraroșu, utilizate pentru a susține caracteristici îmbunătățite, precum viziunea artificială, necesită o analiză atentă și, din punct de vedere istoric, au necesitat expertiză specializată. Kitul de dezvoltare software (SDK) VectorBlox™ și MXP (matrix processer) IP ale Microchip ajută dezvoltatorii FPGA începători să implementeze algoritmi complecși de rețele neurale în structura FPGA. Acest lucru permite clasificări sau detecții la o amprentă de putere foarte redusă. Rețelele neurale care rulează pe acest accelerator-IP sunt proiectate cu ajutorul unor framework-uri standard precum TensorFlow sau Caffe.
Toate rezultatele sunt stocate în memoria locală de pe placă și apoi transferate către un modul wireless de pe placă. Acesta comunică cu operatorul, unde datele colectate sunt primite pentru stocare și utilizare ulterioară. Cele mai bune caracteristici de securitate din clasa dispozitivelor PolarFire protejează atât datele transferate, cât și drona însăși împotriva accesului neautorizat.
Având în vedere arhitectura complexă a dronelor, care necesită mai multe domenii de aplicații – controlul motorului, controlul zborului și imagistica, utilizarea unui FPGA oferă avantajul de a executa în paralel “sarcini” individuale.
Sistemele profesionale pentru drone trebuie să funcționeze, de obicei, cu un buget de putere foarte redus, de 5 wați sau mai puțin. Utilizând un FPGA PolarFire pentru a gestiona mai multe aplicații, se așteaptă un consum de energie mai mic de 1,5 W pentru FPGA, inclusiv pentru funcționarea rețelei neurale.
-
Aparate portabile cu ultrasunete
Figura 2 (Sursă imagine: Microchip Technology)
Datorită dorinței de miniaturizare, combinată cu resurse de calcul edge eficiente energetic și considerații termice îmbunătățite, inovația în domeniul imagisticii medicale cu consum redus de putere crește vertiginos. În frunte se află dispozitivele de diagnosticare la locul de îngrijire, cum ar fi echipamentele portabile cu ultrasunete, care constau dintr-un transductor portabil, care citește și trimite date ecografice către un telefon inteligent standard. Transmisiunile pot avea loc prin cablu sau wireless. Aceste sisteme revoluționează și contribuie la răspândirea capabilităților de diagnosticare pentru personalul medical de urgență la locul accidentului, în regiunile slab dezvoltate și ajută personalul medical să ia decizii de diagnosticare în afara mediilor spitalicești tradiționale.
Diagrama din figura 2 ilustrează un exemplu de implementare.
Utilizarea unui FPGA PolarFire într-un dispozitiv medical portabil oferă cel mai mic consum total de putere al sistemului, ceea ce duce la eficiență termică și la menținerea vârfului transductorului la temperaturi scăzute, permițând contactul direct cu pielea. Aceste performanțe prelungesc timpul de funcționare într-o capsulă compactă de numai 11×11 mm².
-
Convertoare video
Figura 3 (Sursă imagine: Microchip Technology)
Un alt domeniu în care flexibilitatea asociată cu un consum redus de putere și o amprentă fizică mică sunt esențiale este cel al convertoarelor video. Camerele profesionale de înaltă performanță oferă, de obicei, o singură interfață de date, ceea ce limitează selecția echipamentelor pentru postprocesare, care suportă acea interfață specifică. Un convertor video, care oferă o punte către mai multe standarde de interfață permite flexibilitate în selectarea echipamentelor de postprocesare. Performanța nu este compromisă, deoarece sunt acceptate mai multe protocoale cu numeroase transmițătoare multi-gigabit și viteze de linie optimizate de până la 12,7 Gbps, care acceptă protocoale HDMI, CoaXPress, SDI și Ethernet. Factorii de formă ai convertoarelor sunt compacți, deoarece nu mai sunt necesare radiatoare și ventilatoare. Pentru convertoarele video construite pe baza tehnologiei PolarFire se estimează că vor solicita un consum de putere mai mic de doi wați.
Figura 3 prezintă un exemplu de proiectare a unui convertor video.
-
Automatizări industriale
Sunt folosite, ca exemple, două cazuri de utilizare distincte: camere industriale și PLC-uri.
Camerele industriale necesită, de obicei, o rată mare de cadre, o rezoluție ridicată și un factor de formă mic, ceea ce face ca proiectarea termică să fie adesea o provocare. Datorită configurației optimizate a capsulei și a caracteristicilor termice eficiente, această provocare poate fi abordată cu ușurință. Consumul redus de energie statică permite dispozitivului să rămână rece, îmbunătățind considerațiile de proiectare a managementului termic. Rezoluția nu este compromisă, datele de imagine de până la 4K cu 60 de cadre/secundă pot fi gestionate cu ușurință cu interfețe MIPI CSI-2 de recepție, care suportă nativ până la 1,5 Gbps/linie.
Chiar dacă din punct de vedere fizic sunt mai mari, ca sistem complet, PLC-urile au aceleași constrângeri de spațiu și energie precum camerele de luat vederi.
Aceste sisteme, tip rack, oferă lățimi standard de șasiu, sunt modulare și permit utilizatorilor finali să își personalizeze sistemul. Performanța de procesare este în continuare o necesitate pentru a susține ethernetul industrial, interfețele om-mașină, controlul motoarelor/driverelor și sistemele de operare în timp real (RTOS).
Figura 4 ilustrează o diagramă bloc generică a unui astfel de sistem, mapată pe un SoC PolarFire, primul SoC FPGA construit pe un procesor RISC-V cu patru nuclee. PolarFire SoC suportă nativ multiprocesare asimetrică (AMP), împreună cu o alocare fixă și fin-granulară a căilor cache pentru procesoarele individuale. Acest suport AMP nativ permite realizarea de sarcini multiple.
Figura 4 (Sursă imagine: Microchip Technology)
De exemplu, un singur nucleu de procesor poate fi alocat pentru o stivă de protocol ethernet industrial, în timp ce un al doilea nucleu poate rula un sistem de operare Linux. Memoria cache corespunzătoare este fixă, iar Linux este separat de alte resurse hardware. În plus, celelalte două nuclee disponibile pot fi utilizate pentru a gestiona algoritmii necesari pentru controlul motorului sau pentru un invertor.
Din nou, consumul redus de putere joacă un rol important în menținerea la un nivel scăzut a temperaturii componentelor electronice din interiorul modulelor, chiar și în medii termice dificile, cu o temperatură ambiantă de 60°C sau mai mult.
Pentru o examinare mai amănunțită a motivelor pentru care consumul redus de putere este important în sistemele care sunt alimentate prin cablu, vă rugăm să citiți articolul găzduit pe blogul Microchip: https://www.microchip.com/en-us/about/blog/learning-center/low-power-system-saving-even-in-plug-in-devices
Automatizarea industrială se întinde pe o gamă largă de aplicații și cerințe. Printre produsele industriale, nevoia de a oferi asistență și disponibilitate a dispozitivelor timp de 20 de ani sau mai mult este frecventă. Microchip este dedicată complet acestei cerințe de longevitate și oferă asistență cu un program robust de “asigurare a aprovizionării”.
-
Industria auto
Multe aplicații diverse din piața auto de astăzi necesită flexibilitatea FPGA-urilor, de la senzori precum LIDAR, radare de imagistică sau camere de luat vederi până la funcționalități mai ascunse, cum ar fi acționarea foarte precisă și strâns sincronizată a motoarelor electrice prin intermediul unor drivere de înaltă tensiune. O aplicație în plină dezvoltare este utilizarea camerelor pentru avertizarea în caz de coliziune. Aceste camere permit detectarea situațiilor periculoase cu reacție pentru șofer sau, de asemenea, cu control direct în vehicul, cum ar fi activarea automată a frânelor.
Aceste sisteme au cerințe importante în ceea ce privește siguranța funcțională, securitatea și procesarea cu latență redusă, combinate cu posibilitatea de a opera fiabil în medii cu temperaturi ridicate cauzate de căldura motorului și de lumina soarelui.
Figura 5 (Sursă imagine: Microchip Technology)
Figura 5 ilustrează o configurație de sistem care utilizează PolarFire MPF050T; elementele de siguranță sunt marcate galben, iar cele de securitate cu verde.
Memoria nevolatilă securizată integrată (sNVM) permite stocarea de chei de flotă pentru autentificarea în modulul de cameră din cadrul rețelei de vehicule. Imaginile primite sunt procesate în mod streaming utilizând natura paralelă a FPGA-urilor și, în plus, sunt prevăzute cu informații suplimentare de siguranță, cum ar fi numărul de cadre și CRC, pentru o protecție de la un capăt la altul a comunicației. Prelucrarea fluxului de date de imagine evită pericolul de a utiliza “imagini înghețate” din memorie și permite o prelucrare cu un timp de execuție fix, ceea ce se traduce direct în mai mult timp de reacție a sistemului. În funcție de cerințele exacte ale producătorilor de echipamente originale, FPGA-urile oferă, de asemenea, flexibilitatea necesară pentru a permite interfațarea cu diverse serializatoare brevetate.
Comune tuturor aplicațiilor, dar care nu au fost detaliate mai sus, sunt motivațiile comerciale pentru a aduce un produs de succes pe piață. Pentru a vedea cum să reduceți riscurile, ajungând în același timp la client înaintea concurenței și optimizând costul sistemului, asigurând în același timp profituri la finalul anului, este necesară o analiză atentă a arhitecturii sistemului și a partenerului vostru de aprovizionare. Portofoliul cuprinzător al Microchip oferă un parteneriat pentru o soluție de sistem totală. Beneficiați de componente cheie și soluții de proiectare de referință pentru a reduce riscul de dezvoltare și numărul de componente. De asemenea, proiectanții pot economisi timp și bani, deoarece soluțiile sunt validate pentru funcționalitate încrucișată și oferă garanții în multe cazuri.
Pentru informații suplimentare, vizitați https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fpgas
În plus, dacă doriți informații detaliate despre motivele pentru care consumul redus de energie este important în sistemele alimentate prin cablu, vă rugăm să citiți acest articol.
Autor: Martin Kellermann, Manager Marketing
Microchip Technology | https://www.microchip.com
