Vestavné systémy a rovnováha mezi výkonem a spotřebou? S jistotou i na tenkém ledě

U většiny současných vestavných systémů hraje obrovskou roli miniaturizace, zatímco pro kapesní techniku rovněž požadujeme stále větší výpočetní výkony. Stejný trend lze ostatně pozorovat i v případě většiny embedded systémů založených na hradlových polích FPGA. Potřebujeme zde totiž drobnější průmyslové či profesionální kamery, ale i příruční zařízení používaná v medicíně, menší automaty PLC (Programmable Logic Controller) a také asistenční moduly ve vozidlech. S miniaturizací se ale pojí též určité problémy, přičemž ten největší lze jednoduše vyjádřit poměrem „výkon – účinnost“. Pokud výkon systému roste, zvyšuje se obvykle i jeho spotřeba energie, což zase představuje větší tepelné ztráty. U menších modulů se tak jedná o každodenní komplikace a vývojáři je musí umět zvládnout. Chlazení, které u modulu zajistí, že bude pracovat ve vymezeném teplotním rozsahu, ale bývá mnohdy na překážku.

V článku si ukážeme, jak FPGA podporují revoluci s technologií nové generace, kdy pro celou řadu nových a sériově vyráběných systémů či aplikací z každé oblasti našeho života nabídnou efektivní řešení. Drobné kamery vybavené algoritmy AI dokážou navádět zemědělce na základě snímků pořízených drony, řeší videoanalytiku v maloobchodních řetězcích, počítají cestující a na dálnici čtou např. registrační značky. V medicíně zase máme přenosná ultrazvuková zařízení zajišťující péči přímo v terénu nebo endoskopy či chytré brýle asistující při chirurgickém zákroku, které lékařům zajistí zobrazování s mnohem větším rozlišením než kdy dříve. A chytřejší zde budou i sledovací systémy s teplotním zobrazováním navržené tak, aby chránily hranice před jejich neoprávněným překročením, které se obvykle instalují na odlehlých místech, kde rovněž musí pracovat nepozorovaně a také autonomně.

Velké oblibě se dnes těší amatérští „tvůrci obsahu“, což vyžaduje videokonvertory pro streamování založené na polích FPGA, kdy lze s ohledem na libovolné formáty převádět videostreamy ve 4K (HDMI, SDI, USB nebo PCIe). Z flexibility architektur vystavěných okolo hradlových polí a „dlouhověkosti“ FPGA od firmy Microchip v délce 20+ let rovněž těží průmyslová automatizace. A zmínit musíme též asistenční systémy, které dnes v automobilech udržují posádku v bezpečí.

Vývoj struktur FPGA má za sebou už dlouhou cestu. Od volby mezi výkonem a spotřebou nebo stavu, kdy budou využita pouze jako platforma u prototypů drahých obvodů ASIC, se nyní pole FPGA dostávají přímo do hlavního proudu. Nabízí totiž vysoce spolehlivé architektury s cenovou optimalizací a také flexibilním či jednoduše použitelným softwarem. Pojďme se nyní věnovat různým způsobům využití, při kterých hrají FPGA PolarFire^® nebo též SoC PolarFire, společně s jejich odolnějším procesorovým systémem RISC-V, klíčovou roli.

Profesionální drony

U profesionálních dronů se na letovou bezpečnost kladou přísné požadavky. Jedná se o

- přesné řízení a také určování pozice, včetně zabránění kolizi,

- kmitočty pro zabezpečenou komunikaci a řízení,

- předvídatelnou dobu letu.

Aby výrobci dronů na tomto velkém trhu uspěli, musí se odlišit. Nabídnou třeba dodatečné funkce, jako je zobrazování s vysokým rozlišením či umělá inteligence. Drony si často žádají větší počet senzorů, předzpracování nebo spojení dat ze snímačů, přičemž k přenosu takových informací slouží bezdrátová cesta, takže nám nakonec vznikají docela složité systémy. Možných aplikací je opravdu mnoho a zahrnují zde sledování stavu plodin či jejich vzrůstu v zemědělství, detekci objektu a jeho případné sledování při obecném dohledu, v armádě nebo např. rozhodování hasičů, resp. policie, pokud jde o mimořádné situace řešené na dálku.

Elektronika pro kontrolu nad letem musí zvládat řízení motoru a také otáček rotoru, spolupráci s čidly nebo i spojení se vzdáleným zařízením, to vše v rámci prostředí svázaného rozměry, hmotností a spotřebou energie. Blokový diagram takového systému se může podobat řešení znázorněnému na obr. 1.

Obr. 1  Řešení určené pro drony

Díky flexibilní architektuře FPGA jsou motory řízeny na základě algoritmů FOC (Field Oriented Control), přičemž ovládání může být kvůli vlastnostem pole FPGA multiplexováno v časové oblasti. Větší počet motorů řídíme s využitím obvyklého IP, kde přesný počet pohonných jednotek závisí na zvolené architektuře FPGA. Vysoká přesnost algoritmů FOC umožňuje v případě motorů dosahovat konstantního točivého momentu, což představuje i hladší chod stroje s menšími vibracemi, sníženým rušením a především pak dobou letu prodlouženou zhruba o deset procent, nebo ještě více, budeme-li srovnávat se standardními kontroléry motoru využívajícími jednoduché mikrokontroléry.

Další rozhraní spojená se snímači viditelného světla, pohybu či infračerveného záření, která nám pomohou zajistit rozšířené funkce, třeba jako strojové vidění, si ale budou žádat pečlivou rozvahu a v minulosti se neobešla bez speciálních znalostí. S nasazením algoritmů složité neuronové sítě v rámci struktury FPGA začínajícím vývojářům pomohou SDK VectorBlox™ od firmy Microchip, společně s IP (matrix processer). Klasifikace nebo detekce lze proto řešit i za předpokladu velmi nízké spotřeby energie. Neuronové sítě, které zde poběží (accelerator IP), jsou přitom navrženy s využitím standardních struktur, jako je TensorFlow nebo Caffe.

Veškeré výsledky jsou ukládány v lokální paměti a následně přenášeny do palubního bezdrátového modulu. Ten poté komunikuje s obsluhou, zatímco získaná data budou přijata a uložena pro další využití. Nejen přenášená data, ale i dron samotný jsou chráněny před neautorizovaným přístupem bezpečnostními funkcemi obvodů PolarFire, nejlepšími ve své třídě. Komplexní architektura dronu si žádá různé aplikační oblasti – ovládání motoru, řízení letu a zobrazování, přičemž pole FPGA nám přináší výhodu v podobě jednotlivých „úloh“ běžících paralelně.

Systémy profesionálních dronů musí zpravidla pracovat s výkonem, který je omezený pěti watty nebo ještě méně. Pokud k řízení různých aplikací použijeme FPGA PolarFire, lze pro taková pole, a to včetně činnosti neuronové sítě, očekávat spotřebu menší než 1,5 W.

Přenosné ultrazvukové systémy

Inovace v oblasti nízkopříkonového zobrazování v medicíně zažívají nebývalý rozmach. Mohou za to miniaturizace ve spojení s výpočetními prostředky efektivně řešenými přímo na místě, včetně kvalitnějšího ošetření záležitostí spojených s teplotou. V čele zde stojí flexibilní diagnostika, např. s využitím přenosného ultrazvukového zařízení, které bude zahrnovat příruční transducer, kdy sonografická data sbíráme a dále odesíláme do standardního chytrého telefonu. K přenosu přitom využijeme jednoduchého kabelu či bezdrátovou cestu. Takové systémy znamenají zásadní převrat v možnostech diagnostiky, které mají záchranáři v terénu k dispozici, především pak pro méně rozvinuté oblasti, takže nemusí být zapotřebí čekat s rozhodnutím až na tradiční vyšetření v nemocnici. Příklad možného řešení plyne opět z blokového diagramu na obr. 2.

Obr. 2  Způsob návrhu přenosných ultrazvukových systémů

Využití polí FPGA PolarFire znamená u příručních zařízení používaných v medicíně nejmenší spotřebu celého systému, což vede k efektivnímu řízení teploty a chladné hlavici, v případě transduceru to zároveň umožňuje přímý kontakt s pokožkou. Díky takové účinnosti lze rovněž prodloužit provozní dobu řešení v kompaktním pouzdru o velikosti pouze 11 x 11 mm, které tím podporuje skutečně malé rozměry výsledné sondy.

Videopřevodníky

K další oblasti, kde bude klíčová flexibilita ve spojení s nízkou spotřebou energie a malými fyzickými rozměry, patří svět videopřevodníků. Špičkové profesionální kamery obvykle nabízí jediné datové rozhraní, čímž omezují výběr zařízení pro následnou úpravu záznamu na systémy, které budou takové specifické rozhraní i podporovat. Díky videopřevodníku však dostáváme spojení s několika standardy, a tudíž i flexibilitu při volbě zařízení sloužícího k postprodukci. O výkon se nemusíte bát, protože různé protokoly budou podporovány četnými multigigabitovými transceivery, včetně optimalizovaných rychlostí linky až do 12,7 Gb/s, kdy lze počítat s HDMI, CoaXPress, SDI či ethernetem. Převodníky jsou navíc kompaktní, protože chladiče ani ventilátory již nejsou zapotřebí. U videopřevodníků využívajících technologie PolarFire lze předpokládat, že si vystačí s méně než dvěma watty. Příklad návrhu takového převodníku sledujeme na obr. 3.

Obr. 3  Ke struktuře videopřevodníků

Průmyslová automatizace

Jako příklad nám poslouží dva odlišné návrhy: průmyslové kamery a PLC. Průmyslové kamery si obvykle žádají vysoké snímkové rychlosti, velké rozlišení a drobné fyzické provedení, což návrh z pohledu řízení teploty často jen komplikuje. Díky optimalizovanému pouzdru – layoutu a také vhodným teplotním charakteristikám lze ale tento náročný úkol snadno vyřešit. Nízká stálá spotřeba energie umožňuje součástce zůstat chladnou a ještě lépe nahrávat požadavkům návrhu, pokud jde o řízení teploty. Rozlišení přitom není o kompromisech. Díky přijímači – rozhraním s přirozenou podporou rychlostí až 1,5 Gb/s na linku lze pohodlně zpracovat obrazová data až do 4K společně se 60 snímky za vteřinu (MIPI CSI-2).

I když se bude v případě kompletního systému jednat o větší fyzické provedení, pojí se s PLC podobná prostorová či výkonová omezení jako u kamer. Tyto systémy osazované do stojanu jsou modulární a koncovému uživateli proto umožňují vše přizpůsobit, zatímco pro šasi nabízí standardní šířky. Abychom podpořili průmyslový ethernet, rozhraní člověk – stroj, řízení motoru/pohonu nebo RTOS (Real Time Operating System), bude při zpracování stále zapotřebí dostatečný výkon.

Na obr. 4 vidíme obecný blokový diagram takového systému s mapováním do SoC PolarFire, prvního FPGA – SoC vystavěného na čtyřjádrovém procesoru RISC-V. SoC PolarFire nativně podporují AMP (Asymmetric Multiprocessing), společně se skvělým fixním přidělením cache pro jednotlivé procesory. Přirozená podpora AMP umožňuje víceúlohové zpracování. Jedno jádro procesoru lze například vyčlenit pro průmyslový ethernet a jeho protocol stack, zatímco na druhém jádru poběží operační systém Linux. Odpovídající cache je pevně daná a Linux bude oddělen od dalších hardwarových prostředků. Další dvě dostupná jádra lze kromě toho využít pro vyžadované algoritmy řízení motoru či střídače.

Obr. 4  Návrhy vhodné do prostředí průmyslové automatizace

Nízká výkonová spotřeba zde opět hraje klíčovou roli při udržování nízké teploty elektronických součástek uvnitř daných modulů, a to i za předpokladu náročnějších podmínek s okolní teplotou +60 °C a více. Pokud chcete blíže prozkoumat, proč je u systémů napájených po kabelu důležitá malá spotřeba energie, přečtěte si příspěvek na blogu firmy Microchip [1]. Průmyslová automatizace zahrnuje celou řadu aplikací, stejně jako jejich požadavků. U průmyslových produktů se kromě toho mnohdy očekává dostupnost a podpora zařízení po dobu dvaceti let nebo i více. Pro společnost Microchip je takový požadavek na „dlouhověkost“ naprosto klíčový. Nabízí totiž pomoc společně s robustním programem pro zaručení dodávek.

Automobilový průmysl

Řada různých aplikací na současném trhu s automobily vyžaduje flexibilitu hradlových polí FPGA. Může se jednat o senzory, jako je LIDAR, radary či kamery sloužící k zobrazování, ale též méně nápadné funkce typu vysoce přesného a precizně synchronizovaného řízení elektromotorů s využitím vysokonapěťových budičů. Výrazně se začíná prosazovat i použití kamer za účelem výstrahy před kolizí. Takové kamery pak umožňují zaznamenat nebezpečné situace společně se zpětnou vazbou pro řidiče, příp. též přímým ovládnutím vozidla, kdy se mohou automaticky aktivovat brzdy. Pro zmíněné systémy je ale klíčová funkční bezpečnost, zabezpečení a způsob zpracování s nízkou prodlevou, to vše v kombinaci se schopností spolehlivě pracovat za vysokých teplot způsobených ohřevem motoru a také slunečním svitem.

Na obr. 5 vidíme systémové řešení s využitím MPF050T PolarFire. Bezpečnostní prvky jsou vyznačeny žlutou barvou, zabezpečovací pak zeleně. Zajištěná integrovaná nonvolatilní paměť (sNVM) umožní ukládat „fleet-key“ za účelem ověření pravosti, pokud jde o modul kamery a palubní síť. Získané obrazové snímky budou zpracovány ve streamovacím režimu s využitím paralelní povahy pole FPGA a dodatečně opatřeny přídavnou bezpečnostní informací typu počtu snímků a CRC pro komplexní ochranu komunikace. S takovým způsobem zpracování obrazových dat se vyhneme riziku použití „zamrzlých obrázků“ z paměti. Ke zpracování přitom dochází v pevně daném čase, což systému rovnou zprostředkuje větší prostor k tomu, aby mohl zareagovat. V závislosti na konkrétních požadavcích OEM pole FPGA rovněž přináší potřebnou flexibilitu, kdy podporuje propojení s nejrůznějšími zavedenými proprietárními serializery.

Obr. 5  Řešení s ohledem na potřeby automobilového průmyslu

Blíže jsme se tomu sice nevěnovali, ale pro všechny aplikace jsou dále společné obchodní záležitosti vedoucí k tomu, že se zdařilý produkt nakonec dostane na trh. Způsob, jak omezit riziko, zatímco se k zákazníkovi dostaneme dříve než naše konkurence, stejně jako optimalizace systémových nákladů, kdy se výnos promítá do celkových zisků, si žádá pečlivé zvážení konkrétní architektury systému, a to včetně výběru partnera zajišťujícího dodávku součástek. Komplexní nabídka od společnosti Microchip zde vede ke spolupráci při řešení na úrovni celého systému. Těžit můžete z klíčových součástí nebo též referenčních návrhů, se kterými snížíte riziko vývoje, ale i počet součástek. Vývojáři mohou rovněž ušetřit čas a peníze, protože daná řešení jsou validována (Cross Functionality) a v mnoha případech rovněž nabízí záruky. Více informací naleznete v [2].

Odkazy:

[1] www.microchip.com/en-us/about/blog/learning-center/low-power-system-saving-even-in-plug-in-devices

[2] www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fpgas