הליכה על השביל הדק שעל שפת התהום: יצירת האיזון בין הכוח לביצועים במערכות מוטמעות

כיום, המזעור הוא מאפיין המפתח ברוב המערכות המוטמעות. אנו רוצים יותר כוח מיחשוב בכיס שלנו. גם רוב המערכות המוטמעות המבוססות FPGA עוקבות אחרי אותה מגמה. אנו רוצים מצלמות תעשייתיות ומקצועיות קטנות יותר, מכשירי כף יד רפואיים, בקרי לוגיקה (PLC) קטנים יותר, וכך יהיה גם מודול הסיוע לנהג במכונית. המזעור גם מציב אתגרים נוספים – את האתגר הגדול ביותר ניתן לתמצת למונח אחד ויחיד: “ביצועים חסכוניים בצריכת החשמל”. בדרך כלל, ככל שהביצועים של המערכת עולים, גם צריכת החשמל שלה עולה, מה שמגביר את הצורך בפיזור החום. במודולים הקטנים יותר, פיזור החום הוא אילוץ שגורם כאב ראש, שמעצבים מתמודדים איתו מדי יום. קירור המודול, כך שיוכל לפעול גם תחת תנאים או בסביבה מאותגרת תרמית, הופך לעתים קרובות לצוואר הבקבוק של הביצועים.

מאמר זה מדגיש כיצד ה FPGAs מאפשרים את מהפכת הטכנולוגיה של הדור הבא בכל תחומי החיים, באמצעות הצעת ביצועים חסכוניים בצריכת חשמל ביישומים חדשים רבים בעלי נפח עבודה גבוה. מצלמות קטנות, המבוססות על אלגוריתמים של בינה מלאכותית, מדריכות את החקלאים באמצעות תמונות מרחפנים, מספקות ניתוחי וידאו לרשתות השיווק, כך גם ספירת נוסעים בתחבורה, ואף קריאת לוחיות הרישוי בכבישי האגרה.

במכשירי האולטרסאונד הרפואיים הניידים הם מאפשרים את מתן הטיפול בשטח לכל סוגי הנזקקים לטיפול. אנדוסקופים ומשקפיים חכמים מסייעי ניתוח מספקים לרופאים תמונות ברזולוציה גבוהה בהרבה מאי פעם. גם מערכות המעקב המבוססות הדמייה תרמית אשר מיועדות להגן על הגבולות מפני פולשים הופכות לחכמות יותר. כאשר הן פרוסות בדרך כלל במקומות המרוחקים יותר, מערכות אלו צריכות לפעול באופן אוטונומי, תוך שמירה על החשאיות של עצם קיומן.

יוצרי תוכן חובבים הם הצעקה האחרונה היום, ומניעים ללא לאות את הצורך בממירי וידאו סטרימינג מבוססי FPGA, אשר מציעים ליוצרים את האפשרות להמיר את קטעי הוידאו 4K בין כל הפורמטים, כגון HDMI, SDI, USB או PCIe.

גם האוטומציה התעשייתית נהנית מהגמישות של הארכיטקטורות מבוססות ה FPGA ומאורך החיים של מעל 20 שנה של המיקרוצ’יפים FPGA. כיום, במכוניות שלנו, מערכות סיוע לנהג ברכב שומרות על בטיחות הנהג.

ארכיטקטורת ה FPGA עברה דרך ארוכה. מהבחירה בין הביצועים לבין צריכת החשמל, עד לשימוש רק כפלטפורמת אב טיפוס עבור ASICs יקרים, FPGAs נחשבים כיום למיינסטרים, המציעים, בעלויות סבירות, ארכיטקטורות אמינות ביותר יחד עם תוכנה גמישה וקלה לשימוש.

הווה ניתן מבט על כמה דוגמאות לשימושים שונים, שבהם רכיבי ה FPGA של PolarFire® או רכיבי PolarFire SoC, עם מערכת המעבד RISC-V המוקשה שלהם, ממלאים תפקיד חיוני.

1) מל”טים מקצועיים

כלפי הרחפנים המקצועיים יש דרישות מחמירות לבטיחות הטיסה:

– שליטה ומיקום מדויקים, כולל הימנעות מהתנגשויות

– תדרי תקשורת ובקרה מאובטחים

– עמידה בזמן הטיסה הצפוי מראש

כדי להצליח בשוק הרחפנים העולמי, יצרני הרחפנים צריכים לבדל את עצמם על ידי מתן תכונות נוספות, כגון הדמייה ברזולוציה גבוהה ושימוש בבינה מלאכותית. הרחפנים דורשים לעתים קרובות חיישנים מרובים, עיבוד מוקדם או שילוב של נתוני החיישנים השונים, וכמובן העברת נתונים אלה באמצעות החיבור האלחוטי, מה שהופך אותם למערכות מורכבות.

טווח היישומים רחב מאוד, וכולל ניטור את מצב היבולים והתפתחות הגידולים בחקלאות, זיהוי אובייקטים ומעקב פוטנציאלי בתחום השיטור, הצבא, או הערכת מידע מרחוק במצבי חירום עבור מכבי האש או המשטרה.

יחד עם זאת, האלקטרוניקה של בקרת הטיסה חייבת להיות מסוגלת להתמודד גם עם הבקרה על המנוע ועל מהירות הרוטור, לקיים אינטראקציה עם החיישנים ולהתחבר לציוד המרוחק, כל זה תוך קיום סביבה מוגבלת בגודל, במשקל ובכוח.

תרשים הבלוק עבור מערכת כזו יכולה להידמות למבנה הבא:איור 1.

המנועים מונעים על ידי אלגוריתמים של בקרה מוכוונת שדה (FOC), תוך מינוף ארכיטקטורת ה-FPGA הגמישה, שבה, בגלל הביצועים של ה-FPGA, ניתן להרבות בקרה במרחב הזמן. מנועים מרובים נשלטים על ידי ה IP המשותף לבקרת המנועים, כאשר מספר המנועים המדויק תלוי בארכיטקטורת ה-FPGA שנבחרה.

הדיוק הגבוה של ה-FOC הוא אשר מאפשר את הפעלת המומנט הקבוע של המנועים, וכתוצאה מכך טיסה חלקה יותר עם פחות רעידות, פחות יצירת רעש, והכי חשוב, הערכת זמן הטיסה עם דיוק גבוה יותר בכ-10 אחוז, בהשוואה לבקרי המנוע הסטנדרטיים המשתמשים במיקרו-בקרים פשוטים.

ממשקים נוספים, כגון חיישני אור לראייה רגילה, תנועה או אינפרא אדום, המשמשים לתמיכה בתכונות משופרות, כגון ראיית מכונה, מצריכים התייחסות מדוקדקת, וידוע זה מכבר שנדרשת מומחיות מיוחדת.

ה SDK ומעבד המטריצות IP של שבב ה VectorBlox™ עוזרים למפתחי FPGA להתחיל לפרוס

אלגוריתמים מורכבים של רשתות דמויות עצבים במארגי ה FPGA שלהם. זה מאפשר מיון או זיהוי נתונים תוך דרישה אנרגטית נמוכה מאוד. הרשתות דמויות העצבים הפועלות על מאיץ ה-IP הזה מתוכננות באמצעות מסגרות סטנדרטיות, כגון TensorFlow או Caffe.

כל המידע מאוחסן בזיכרון המשולב המקומי, ולאחר מכן מועברות למודול אלחוטי מובנה.

מודול זה מתקשר עם המודול המפעיל, שבו הנתונים שנאספו מתקבלים לאחסון ולשימוש נוסף.

תכונות האבטחה הטובות מסוגן של מכשירי PolarFire מגנים מפני גישה לא מורשית, הן על הנתונים המועברים והן על הרחפן עצמו.

בעבור ארכיטקטורת מזל”ט מורכבת, הדורשת תחומי יישומים מרובים – בקרת מנוע, בקרת טיסה והדמייה, השימוש ב-FPGA מספק את היתרון של ההפעלה במקביל של “משימות בודדות”.

המערכות של רחפנים מקצועיים צריכות בדרך כלל לפעול במגבלות צרות של הספקת כוח, 5 וואט או פחות. השימוש ב-PolarFire FPGA לניהול מארג היישומים המרובים, מבטיח צריכת חשמל של פחות מ-1.5 W עבור ה-FPGA, כולל פעולת הרשת העצבית.

2) אולטרסאונד נייד

בשל הדחף למזעור, יחד עם הצורך במשאבי מיחשוב קצה חסכוניים ובעלי ביצועים תרמיים משופרים, החדשנות בתחום ההדמייה הרפואית בהספק נמוך צומחת בצעדי ענק. המובילים הם תחום האבחון הנקודתי, כגון ציוד אולטרסאונד נייד, המורכב ממתמר ידני, המספק קריאה ושליחת נתונים סונוגרפיים לטלפון חכם סטנדרטי. השידורים יכולים להתרחש באמצעות כבל פשוט או באופן אלחוטי. מערכות אלו מחוללות מהפכה ומאפשרות לכל נזקק את יכולות האבחון,  לשימוש אנשי רפואת החירום באתרי האירוע, או באזורים פחות מפותחים, ומסייעות לאנשי מקצוע רפואיים לקבל החלטות אבחון.

תרשים הבלוק הבא מציג דוגמה ליישום:

איור 2.

מינוף של שבב ה PolarFire FPGA במכשיר רפואי ידני מספק את ההספק הכולל הנמוך ביותר של המערכת, מה שמוביל להתנהלות תרמית יעילה, שומר על קרירות ראש המתמר, ובכך מאפשר מגע ישיר עם העור. יעילות זו מאריכה את זמן הפעולה, תוך שהחבילה הקומפקטית תופסת שטח של 11 11 X  מ”מ בלבד, הישג התומך ביצירת מארזי בדיקה קטנים מאוד.

3) ממירי וידאו

תחום נוסף בו הגמישות, בשילוב עם צריכת חשמל נמוכה ותפיסת שטח פיזית קטנה, הם תנאים  חיוניים, הוא תחום ממירי הווידאו. מצלמות מקצועיות, בעלות ביצועים גבוהים, מספקות בדרך כלל ממשק נתונים יחיד, אשר מגביל את בחירת הציוד התומך בממשק הספציפי לאחר העיבוד. הוספת ממיר וידאו, המספק את הגשר למספר תקני ממשק רבים, מאפשר גמישות בבחירת הציוד לאחר העיבוד. הביצועים אינם נפגעים, שכן ריבוי פרוטוקולים נתמכים עם מספר רב של מקלטי משדר מרובי גיגה, וקצבי קו אופטימליים של עד 12.7 Gbps, התומכים ב-HDMI ובפרוטוקולי CoaXPress, SDI ו-Ethernet. הממירים הופכים לגורמים קומפקטיים, שכן אין צורך יותר בגופי פיזור חום או במאווררים. ממירי וידאו הבנויים על טכנולוגיית PolarFire דורשים פחות מ 2 וואט צריכת כוח.

הנה דוגמת תרשים לעיצוב ממיר וידאו:

איור 3.

4) אוטומציה תעשייתית

שני מקרי שימוש שונים ישמשו אותנו כדוגמאות, ואלה הם המצלמות התעשייתיות וה- PLCs.

מצלמות תעשייתיות דורשות בדרך כלל קצבי פריימים גבוהים, רזולוציה גבוהה ומקדם מבנה חיצוני קטן, מה שהופך את העיצוב התרמי לרוב למאתגר.

הודות לעיצוב הפנימי החסכוני של החבילה האופטימלית, ולמאפיינים התרמיים היעילים, ניתן להתמודד עם אתגר זה בקלות. צריכת החשמל הסטטית הנמוכה מאפשרת למכשיר להישאר קריר, ומשפר את שיקולי התכנון של הניהול התרמי. הרזולוציה אינה נפגעת, כאשר עם ממשקי מקלט MIPI CSI-2 התומכים באופן טבעי עד 1.5 Gbps/קו יכולים להיות מטופלים בקלות נתוני תמונה של עד 4,K עם 60 פריימים לשנייה.

למרות שהם גדולים יותר מבחינה פיזית כמערכת שלמה, PLCs הם באותה מידה מוגבלים  במרחב ובחשמל כמו המצלמות הרגילות.

מערכות מבוססות מתלים אלו הן מודולריות, מאפשרות למשתמשי הקצה להתאים אישית את המערכת שלהם, ומציעות רוחב מארז סטנדרטי. ביצועי עיבוד משופרים הם עדיין הכרחיים כדי לתמוך ב- ethernet התעשייתי, בממשקי המכונות המחליפות את האדם, לבקרת מנוע/נהג ולמערכות ההפעלה בזמן אמת (RTOS).

הגרפיקה הבאה מציגה תרשים בלוק גנרי של מערכת כזו, ממופה ל-PolarFire SoC, ה-FPGA-SoC הראשון שנבנה על מעבד RISC-V בעל 4 ליבות. ה-PolarFire SoC תומך, בעצם מהותו, בריבוי מעבדים א-סימטרי (AMP), יחד עם הקצאה קבועה אך חסכנית של דרכי שמירת נתונים של כל אחד מהמעבדים הבודדים. תמיכת AMP מובנית זו היא המאפשרת ריבוי משימות. לדוגמה, ניתן להקצות ליבת מעבד בודדת עבור שמירת נתוני פרוטוקול ה Ethernet התעשייתי, בעוד שליבה שנייה יכולה להפעיל מערכת הפעלה לינוקס. כל מטמון נתונים הוא קבוע ויציב, ולינוקס מופרד ממשאבי חומרה אחרים. בנוסף, ניתן להשתמש בשתי הליבות הזמינות האחרות לטיפול באלגוריתמים הנדרשים לבקרת המנוע או ממיר המתח.

איור 4.

שוב, צריכת החשמל הנמוכה משחקת תפקיד חשוב בשמירה על הטמפרטורה של הרכיבים האלקטרוניים, הנותרת בתוך המגבלה הנמוכה הדרושה למודולים, אפילו בסביבות תרמיות מאתגרות, עם טמפרטורת סביבה של 60°C או יותר.

להבנה מעמעקה יותר מדוע צריכת חשמל נמוכה חשובה במערכות המופעלות באמצעות כבל, אנא עיין במאמר הבא, המצוי בבלוגים של Microchip:

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

האוטומציה התעשייתית משתרעת על מגוון רחב של יישומים ודרישות. הצורך להציע תמיכה וזמינות של מכשירים למשך 20 שנה או יותר, נפוץ בקרב מוצרים תעשייתיים, ידוע ומקובל. Microchip עונה במלואו על הדרישת לאריכות ימים הזו, ומציע תמיכה  עם תוכנית מוצקה ומוכחת של “הבטחת אספקה”.

5) השימושים ברכבים

יישומים רבים ושונים בשוק הרכב של היום דורשים את הגמישות של FPGAs, החל מחיישנים כמו LIDAR, מכ”מים או מצלמות ההדמייה, ועד לפונקציונליות נסתרת יותר כמו הנעה מדויקת מאוד ומסונכרנת מקרוב של מנועים חשמליים באמצעות דרייברים במתח גבוה. אפליקציה שמתפתחת מאוד היא השימוש במצלמות לאזהרה מפני התנגשות. מצלמות אלו מאפשרות זיהוי מצבים מסוכנים, כולל מתן משוב לנהג, או אפילו עם שליטה ישירה לתוך מכלולי הרכב, כגון הפעלה אוטומטית של הבלמים.

למערכות אלו דרישות חזקות לבטיחות פונקציונאלית, אבטחה מחדירות, ועיבוד עם זמן תגובה נמוך, בשילוב עם היכולת לפעול בצורה אמינה, בסביבות עם טמפרטורות גבוהות הנגרמות על ידי חום המנוע ואור השמש.

התרשים הבא מציג את המבנה של מערכת כזו באמצעות PolarFire MPF050T, רכיבי הבטיחות מצוירים בצהוב, רכיבי האבטחה בירוק:

הזיכרון המשולב המאובטח הלא נדיף (sNVM) מאפשר אחסון מפתחות הזיהוי של כלל המערכים, לאימות בתוך מודול המצלמה ובתוך רשת הרכב. התמונות הבודדות המתקבלות מעובדות במצב סטרימינג, תוך שימוש בדרך הפעולה במקביל של ה-FPGA, ובנוסף מסופק גם מידע הבטיחות הנוסף, כגון ספירת פריימים ו-CRC להגנה על התקשורת לכל אורך הדרך.

עיבוד הסטרימינג של נתוני התמונה מונע את הסכנה של שימוש ב “תמונות קפואות” מהזיכרון, ומאפשר עיבוד עם זמן ביצוע קבוע, המתורגם ישירות ליותר זמן לתגובה של המערכת.

ה-FPGA מספק גם את הגמישות הנדרשת לתמיכה בממשקים עם מערכות המגיעות מקנייניים שונים, בהתאם לדרישות ה-OEM המדויקות.

מה שלא מפורט לעיל, אך משותף לכל היישומים, הם המניעים העסקיים להבאת מוצר מצליח לשוק. התבוננות כיצד להפחית סיכונים, תוך הגעה ללקוח לפני המתחרים שלך, ואופטימיזציה של עלות המערכת, תוך מתן רווחים לשורה התחתונה, דבר הדורש התייחסות מדוקדקת לארכיטקטורת המערכת ולשותפי האספקה שלך.

סל המוצרים המקיף של Microchip מציע שותפות במתן פתרונות מערכתיות כוללות, יחד עם הפקת תועלת ממרכיבי מפתח ופתרונות התכנון להפחתת סיכוני הפיתוח וצמצום מספר הרכיבים. המעצבים יכולים לחסוך זמן וכסף, מכיוון שהפתרונות כבר מאומתים בעבור הפונקציונליות הצולבת, ובמקרים רבים מציעים אחריות על כך.

למידע נוסף, בקר בכתובת

 https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fp

 


באדיבות חברת MicroChip Technology

תגובות סגורות