logotypen
 
 

IN FOCUS

Suojaa datasi kunnolla

SSD-levyt tarjoavat luontaisesti korkean luotettavuuden kaikentyyppisiin sovelluksiin, aina aloitustason kuluttajalaitteista kriittisiin järjestelmiin. Asianmukaiset tietosuojamekanismit voivat maksimoida levyn käyttöiän toteuttamalla ennaltaehkäiseviä toimenpiteitä tarpeen mukaan, kertoo Silicon Motion artikkelissaan.

Lue lisää...

Ohjelmoitava FPGA-piiri mahdollistaa pitkälle viedyn, tehokkaan rinnakkaisen laskennan. Eniten tehoa siitä saadaan, mikäli ohjelmointi tehdään standardoidulla OpenCL-kielellä.

Artikkelin kirjoittaja tohtori Deshanand Singh toimii pääsuunnittelijana Alteran teknologiakeskuksessa Torontossa. Hän johtaa Alteran OpenCL-to-FPGA -projektia vastaten erityisesti korkean tason suunnittelutyökaluista. Niiden avulla suunnittelijat voivat kehittää sovelluksia FPGA-piireille aiempaa tuottavammin. Aiemmin Singhin tiimi tuotti optimointialgoritmeja Altera Quartus II -työkaluihin. Tohtori Singhillä on ajoitustekniikoiden (timing closure) alueelta tutkinto toronton yliopistosta. Hänellä on yli 50 patenttia ja julkaisua FPGA-tekniikassa.

Ohjelmoitavien tekniikoiden alkuaikoina oli kaksi ohjelmoitavuuden ääripäätä. Toista edusti yksiytiminen CPU tai DSP-prosessori. Näitä laitteita ohjelmoitiin ohjelmistolla, joka koostui listasta suoritettavia käskyjä. Käskyjä luotiin tavalla, joka oli ohjelmoijan näkökulmasta sarjamuotoinen. Edistynyt prosessori pystyi kyllä uudelleen järjestelemään käskyjä niin, että ajonaikana päästiin käskytasolla rinnakkaisuuteen.

Toisen ääripään ohjelmoitavuudessa muodosti FPGA. Näitä piirejä ohjelmoidaan luomalla konfiguroitavia laitetason piirejä, jotka suorittavat käskyjä täysin rinnakkain. FPGA-suunnittelija luo itse asiassa hyvin hienojakoista rinnakkaista sovellusta. Monien vuosien ajan nämä kaksi ääripäätä elivät rinnakkain ja niitä käytettiin eri sovellusalueilla. Tekniikan skaalautumisen viimeisimmät trendit ovat suosineet kuitenkin lähestymistapoja, jotka ovat sekä ohjelmoitavia että rinnakkaisia.

Toinen trendi, mihin ohjelmoitavat piirit nojasivat, oli monimutkaisen raudan tuleminen, jolla käskytason rinnakkaisuutta voitaisiin ajaa sarjamuotoisista ohjelmista. Yksiytiminen arkkitehtuuri saisi syötteenä sarjan käskyjä ja suorittaisi ne piirillä, jolla olisi monia rinnakkaisia toiminnallisia yksiköitä. Iso osa prosessoriraudasta täytyy varata rinnakkaisuuden toteamiseen dynaamisesti sarjamuotoisesta koodista. Lisäksi raudan pitää yrittää kompensoida muistin viiveitä.

Yleensä ohjelmoijat koodaavat ohjelmia ajattelematta prosessorin muistihierarkiaa, ikään kuin käytössä olisi laaja, tasainen, yhtenäisen nopea muisti. Prosessorin pitää sen sijaan tulla toimeen fyysisten rajoitusten eli korkean latenssin ja rajoitetun kaistanleveyden kanssa liitännöissä ulkoiseen muistiin. Jotta toiminnallisille yksiköille saataisiin syötettyä dataa pitää prosessorin myös spekulatiivisesti hakea ennalta (pre-fetch) ulkoisesta muistista prosessorin välimuisteihin, jotta data olisi lähempänä laskentaa. Vaikka näitä tekniikoita on paranneltu vuosikymmenien ajan, niistä saatavien hyötyjen määrä on vuosien varrella merkittävästi vähentynyt.



Kuva 1. Ohjelmoitavien ja rinnakkaisten tekniikoiden viimeaikaiset trendit.

Kun näiden kahden trendin tuomat hyödyt ovat vähentyneet perinteisissä prosessoriarkkitehtuureissa, on ohjelmoitavien laitteiden kirjo nopeasti kehittynyt, kuten kuvasta 1 näkyy. Painopiste on siirtymässä käskytason rinnakkaisuuden automaattisesta suorittamisesta ajonaikana siihen, että säietason rinnakkaisuus määritellään koodatessa. Tarjolle on tullut hyvin pitkälle rinnakkaisia moniydinprosessoreita, joissa on enemmän yksinkertaisia suorittimia ja laskentaan on varattu enemmän transistoreja kuin välimuistiin lukemiseen ja rinnakkaisuuden määrittämiseen. Nämä piirit vaihtelevat 2,4 tai 8 ytimen mikroprosessoreista grafiikkasuorittimiin, joissa sadat yksinkertaiset ytimet on optimoitu rinnakkaisen datan laskentaan. Korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi näissä moniydinpiireissä ohjelmoijan on eksplisiittisesti koodattava sovelluksessa rinnakkaisena. Jokaiselle ytimelle pitää osoittaa tehtävä niin, että kaikki ytimet voivat yhdessä toteuttaa halutun laskentatehtävän. Juuri tätä FPGA-suunnittelijoiden pitää tehdä luodessaan korkean tason järjestelmäarkkitehtuureita.

OpenCL - alustariippumaton standardi

Tähän moniydinprosessorien vaatimien rinnakkaisten ohjelmien luomisen tarpeeseen kehitettiin OpenCL (Open Computing Language) -ohjelmointikieli tarkoituksena luoda alustariippumaton rinnakkaisen ohjelmoinnin standardi. OpenCL tuo mahdollisuuden kuvailla rinnakkaisia algoritmeja, joita voidaan toteuttaa FPGA-piireillä, paljon korkeammalla abstraktiotasolla kuin laitekuvauskielillä kuten VHDL tai Verilog. Vaikka tarjolla on useita korkean tason synteesityökaluja, joilla tämä korkean tason abstraktio saavutetaan, ne kaikki ovat kärsineet samasta perusongelmasta. Nämä työkalut yrittävät luoda sarjamuotoisesta C-ohjelmasta rinnakkaisen HDL-toteutuksen. Ongelma ei ole niinkään HDL-toteutus kuin säietason rinnakkaisuuden määritteleminen, jonka myötä FPGA-toteutus voisi saavuttaa paremman suorituskyvyn.

Kun FPGA on rinnakkaisuuden kirjon äärimmäisin esimerkki, epäonnistuminen maksimaalisen rinnakkaisuuden löytämisessä johtaa suurempiin vaikutuksiin kuin muissa piireissä. OpenCL-standardi ratkaisee monet näistä ongelmista antamalla suunnittelijan täsmällisesti määritellä ja kontrolloida rinnakkaisuutta. OpenCL-standardi vastaa luonnollisemmin FPGA-piirien pitkälle rinnakkaista luonnetta kuin C-kielessä kuvatut sarjamuotoiset ohjelmat.

OpenCL-sovellukset koostuvat kahdesta osasta. OpenCL-isäntäohjelma on puhdas standardilla C/C++-kielellä kirjoitettu ohjelmistorutiini, joka toimii millä tahansa mikroprosessorilla. Tämä prosessori voi olla esimerkiksi ohjelmistopohjainen prosessori FPGA-piirillä, kovakoodattu ARM-prosessori tai ulkoinen x86-prosessori.

Jossakin vaiheessa tämän isäntärutiinin ajoa tulee todennäköisesti vastaan toiminto, joka on laskennallisesti vaativa ja joka voi hyötyä pitkälle rinnakkaisesti kiihdytyksestä rinnakkaisemmalla piirillä: CPU:lla, grafiikkaprosessorilla, FPGA-piirillä, jne. Tähän kiihdytettävään toimintoon viitataan OpenCL-ytimenä (kernel). Nämä ytimet kirjoitetaan standardilla C:llä, mutta niihin lisätään huomautuksia rakenteista, joilla yksilöidään rinnakkaisuus ja muistihierarkia. Kuvassa 2 näkyvä esimerkki suorittaa kahden lausekkeen - a ja b - vektorilisäyksen. Tulos kirjoitetaan takaisin lähtölausekkeena (output).

Rinnakkaiset säikeet operoivat vektorin kahta elementtiä. Tämän ansiosta tulos saadaan paljon nopeammin, kun sen laskentaa kiihdytetään piirillä, joka tarjoaa massiivisesti rinnakkaisuutta kuten esimerkiksi FPGA. Isäntäohjelmalla on pääsy standardeihin OpenCL-rajapintoihin, joiden kautta data voidaan siirtää FPGA-piirille. käynnistää kernel FPGA-piirillä ja välittää laskennan tulos takaisin.



Kuva 2. Esimerkki OpenCL-toteutuksesta FPGA-piirillä.

FPGA-piirillä kernel- eli ydintoiminnot voidaan muuntaa dedikoiduiksi ja tiukasti liukuhihnoitetuksi laitteistoksi, jotka ovat luonnostaan monisäikeisiä ja liukuhihnan rinnakkaisuutta hyödyntäviä. Jokainen näistä liukuhihnoista voidaan toistaa useita kertoja, jolloin päästään vielä suurempaan rinnakkaisuuteen kuin yhdellä liukuhihnalla.

OpenCL-standardin käytön edut FPGA-piirillä

Suunnittelujen luominen FPGA-piirille OpenCL-kuvauksella tuo useita etuja perinteiseen HDL-pohjaiseen metodologiaan verrattuna. Ohjelmoitavien laitteiden kehitys tapahtuu tyypillisesti niin, että ensin saadaan idea, sitten koodataan algoritmi korkean tason kielellä kuten C:llä, ja sen jälkeen luodaan käskysarja automaattisella kääntäjällä. Alteran OpenCL-ympäristössä OpenCL-sovelluksia voidaan toteuttaa FPGA:lla helposti. Tämä on esitetty kuvassa 3.



Kuva 3: Yleiskuva Alteran OpenCL-kehitysympäristöstä.

Tätä lähestymistapaa voidaan verrata perinteiseen FPGA-pohjaiseen suunnitteluun, joka edellyttää sitä, että suunnittelija luo jaksokohtaiset (cycle-by-cycle) laitteistokuvaukset raudasta, jolla algoritmi toteutetaan. Perinteinen vuo pitää sisällään datapolkujen luomisen, tilakoneen (state machine) näiden datapolkujen kontrollointiin, liitännän alemman tason IP-ytimiin järjestelmätyökaluilla, ja ajoitusongelmista huolehtimisen, koska ulkoiset liitännät tuovat rajoituksia, joihin täytyy mukautua. Alteran OpenCL-kehitysympäristö tekee kaikki nämä tehtävät automaattisesti suunnittelijan puolesta, joten suunnittelija voi keskittyä määrittelemään algoritmiaan sen sijaan että kuluttaisi aikaansa raudan yksityiskohtien viimeistelyyn. Tällä menetelmällä suunnittelija voi helposti viedä suunnittelunsa uusille FPGA-piireille, jotka tuovat paremman suorituskyvyn ja enemmän kapasiteettia, koska OpenCL-käännin muuntaan korkean tason kuvaukset liukuhihnoiksi, jotka hyödyntävät uutta FPGA-rakennetta.

OpenCL-standardin hyödyntäminen FPGA-piirillä voi tuoda merkittävästi paremman suorituskyvyn selvästi pienemmällä tehonkulutuksella, kuin mihin tämän hetken rauta-arkkitehtuureilla (CPU, GPU, jne.) päästään. Lisäksi OpenCL-standardia hyödyntävällä heterogeenisella FPGA-järjestelmällä (CPU + FPGA) on mahdollista viedä tuote markkinoille selvästi nopeammin kuin perinteisessä FPGA-suunnittelussa, jossa käytetään alemman tason laitekuvauskieliä kuten Verilogia tai VHDL:ää.

MORE NEWS

Jättirahoitus GenAI-softakehitykseen

Business Finland on myöntänyt Jyväskylän yliopistolle merkittävän, 840 000 euron rahoituksen tutkimushankkeelle, jonka tavoitteena on tutkia generatiivisen tekoälyn (GenAI) hyödyntämistä ohjelmistokehityksen eri vaiheissa. Hanke kantaa nimeä Generative AI for the Software Development Life Cycle, ja sen kokonaisbudjetti Jyväskylän yliopiston osalta on 1,2 miljoonaa euroa, josta 30 prosenttia katetaan yliopiston omarahoituksella.

Raidejokerin lähestymisestä varoitetaan sanallisesti

Helsingin kaupungin innovaatioyhtiö Forum Virium Helsinki on käynnistänyt vuoden mittaisen pilottikokeilun, jossa testataan uudenlaista varoitusjärjestelmää Viikin pikaraitiotien ylityspaikalla. Järjestelmä varoittaa jalankulkijoita ja pyöräilijöitä sekä äänimerkein että sanallisesti lähestyvästä raidejokerin junasta.

Ensimmäistä kertaa grafiikka- ja AI-laskenta samalla RISC-V-prosessorilla

Imagination Technologies on esitellyt uuden E-Series-arkkitehtuurin, joka yhdistää grafiikka- ja tekoälylaskennan ensimmäistä kertaa samaan RISC-V-prosessoriin pohjautuvaan IP-lohkoon. Uutuus avaa tietä tehokkaammille, joustavammille ja energiaa säästäville reunalaitteille – älypuhelimista robottiautoihin.

Aurinkokennokalvo voi tehdä rakennuksista sähköntuottajia

Rakennusten ikkunat ja julkisivut voivat tulevaisuudessa toimia sähköntuottajina, kiitos Luulajan teknillisen yliopiston tutkimukselle. Uudenlainen ohut aurinkokennokalvo yhdistää sähköntuotannon, ympäristöystävällisyyden ja läpinäkyvyyden – ilman kompromisseja rakennusten estetiikassa tai luonnonvalon hyödyntämisessä.

Kenelle Samsungin veitsenterävä uutuus on tarkoitettu?

Samsungin odotettu Galaxy S25 Edge on virallisesti julkaistu, ja 5,8 millimetrin paksuisena se ottaa haltuunsa tittelin "maailman ohuimpana täysiverisenä älypuhelimena". Kyse on hienosta insinööritaidon näytöstä: titaanirunko, keraaminen lasi ja huipputason kamera- sekä tekoälyominaisuudet on mahdutettu hämmästyttävän solakkaan koteloon.

Selain on yritysten tietoturvan sokea piste

Yritykset nojaavat yhä enemmän verkkoselaimiin päivittäisessä työssään, mutta samalla altistuvat vakaville tietoturvauhille. NordLayerin kyberturva-asiantuntijan mukaan perinteiset selaimet muodostavat tietoturvan sokean pisteen, jota on vaikea valvoa ja suojata – erityisesti pienemmissä organisaatioissa, sanoo NordLayerin asiantuntija Edvinas Buinovskis.

FakeUpdates vaikutti 6 prosentissa organisaatioita

Tietoturvayritys Check Point Software Technologies on julkaissut huhtikuun 2025 haittaohjelmakatsauksensa. Raportin mukaan FakeUpdates jatkoi maailman yleisimpänä haittaohjelmana, vaikuttaen 6 prosenttiin organisaatioista maailmanlaajuisesti. Suomessa sen esiintyvyys oli 4,02 prosenttia.

Yksi ainoa molekyyli parantaa kennon suorituskykyä 0,6 prosenttia – ja sillä on merkitystä

Uusi kansainvälinen tutkimus osoittaa, että synteettinen molekyyli nimeltä CPMAC voi merkittävästi parantaa perovskiittipohjaisten aurinkokennojen tehokkuutta ja käyttöikää. Vaikka hyötysuhde parani vain 0,6 prosenttia, sillä on todellista merkitystä: suuressa mittakaavassa, kuten yhden gigawatin aurinkovoimalassa, se voi tuottaa tarpeeksi lisäenergiaa jopa 5000 kotitaloudelle.

Intel katkaisee linkin grafiikan ja CPU:n väliltä

Intel on virallisesti lopettanut Deep Link -teknologiansa kehityksen ja tuen, lopettaen näin kunnianhimoisen yrityksen yhdistää prosessorin ja näytönohjaimen voimat tiiviimmäksi kokonaisuudeksi.

Autojen tutkapiiri kutistui, teho kasvoi kaksinkertaiseksi

NXP Semiconductors on julkaissut uuden sukupolven tutkapiirin, joka mullistaa autonomisten ajoneuvojen tutkajärjestelmät. Uusi S32R47-imaging-tutkaprosessori tarjoaa jopa kaksinkertaisen suorituskyvyn edeltäjäänsä verrattuna ja mahtuu silti 38 prosenttia pienempään fyysiseen tilaan.

Vuoden lopulla jo 240 watin USB-lataus suoraan pistokkeesta

Pistorasiaan integroitava USB-lataus on siirtymässä täysin uudelle aikakaudelle. Brittiläinen tehoelektroniikkayritys Pulsiv on kehittänyt ensimmäisen valmiin ratkaisun, joka mahdollistaa jopa 240 watin USB-C-latauksen suoraan tavallisesta seinäpistokkeesta. Kyseessä on merkittävä tekninen läpimurto, joka voi muuttaa tapaa, jolla kannettavat tietokoneet, älypuhelimet ja jopa pienet kodinkoneet tai sähkötyökalut ladataan kotona ja työpaikoilla.

Omdia: Puolijohteet uuteen ennätykseen

Vuosi 2024 oli puolijohdeteollisuudelle historiallinen, sillä alan liikevaihto nousi Omdian mukaan 25 prosenttia edellisvuodesta ja ylsi ennätykselliseen 683 miljardiin dollariin. Kasvun moottorina toimi erityisesti tekoälyyn liittyvä kysyntä, joka nosti muistipiirien myynnin huikeaan 74 prosentin kasvuun.

Uusi standardi parantaa Bluetoothin tietoturvaa

Bluetooth-teknologia on saanut merkittävän päivityksen, joka parantaa käyttäjien yksityisyyttä ja laitteiden virrankulutusta. Bluetooth Special Interest Group (SIG) on julkaissut uuden Bluetooth Core Specification 6.1 -version, jossa keskeisenä uutuutena on satunnaistettu laiteosoitteiden päivitys – askel kohti vaikeammin jäljitettävää langatonta viestintää.

Tesla kiertää työsaartoa Ruotsissa suomalaisyrityksen kautta

Tesla on ajautunut erikoiseen selkkaukseen Ruotsin ay-liikkeen kanssa, ja yhtiö on nyt ryhtynyt kiertämään työtaistelutoimia suomalaislähtöisen yrityksen avulla. Kyseessä on ahvenanmaalainen ACS-konserni (Automation & Charger Solar), joka on aloittanut Teslan superlatureiden asennukset Ruotsissa kesken laajaa ay-liikkeen tukemaa saartoa.

Tehoelektroniikan PCIM oli suurempi kuin koskaan aikaisemmin

Nürnbergissä tällä viikolla järjestetty PCIM Expo & Conference 2025 ylitti odotukset niin laajuudeltaan kuin sisällöltään. Tapahtuma kasvoi tänä vuonna kuuteen näyttelyhalliin ja kattoi yhteensä 41 500 neliömetriä – enemmän kuin koskaan aiemmin. Näyttely houkutteli paikalle 685 näytteilleasettajaa ja noin 16 500 kävijää eri puolilta maailmaa.

Tuki uudelle USB4:lle laajenee

Testaus- ja simulaatiojärjestelmistään tunnettu Keysight Technologies on julkaissut päivitetyn version System Designer for USB -työkalustaan. Uusin versio tukee nyt USB4 v2-standardia, mikä mahdollistaa uusimpien USB-teknologioiden hyödyntämisen jo suunnitteluvaiheessa.

Python jyrää: Suosio ennätyslukemissa

Python ei ole vain suosituin ohjelmointikieli maailmassa – se on nyt suositumpi kuin yksikään kieli yli 20 vuoteen. Samalla kieli kehittyy entisestään, sillä toukokuussa julkaistu Python 3.14 -beta tuo mukanaan nipun merkittäviä uudistuksia, jotka tekevät kielen käytöstä entistäkin miellyttävämpää ja tehokkaampaa.

RedCap vie IoT:n todelliseen 5G-aikaan

5G RedCap -teknologia on suunniteltu kuromaan umpeen kuilua energiatehokkaiden ja erittäin nopeiden verkkojen välillä, avaten tien uuden sukupolven IoT-laitteille. Tutustu, miten tämä teknologia mullistaa 5G-ekosysteemin ja vie IoT-sovellukset täysin uudelle tasolle.

Infineon sai vihreää valoa Dresdenin uudelle tehtaalle

Infineon Technologies on saanut Saksan liittovaltion talousministeriöltä lopullisen rahoituspäätöksen uuden, huipputeknologiaan keskittyvän puolijohdetehtaan rakentamiseksi Dresdeniin. Yritys investoi Smart Power Fab -nimiseen tuotantolaitokseen yli viisi miljardia euroa omia varojaan. Hanke tuo arviolta 1000 uutta työpaikkaa alueelle.

Nokian uusi kuituratkaisu korvaa kuparikaapelit

Nokia on julkistanut uuden Aurelis Optical LAN -ratkaisunsa, joka tarjoaa yrityksille kehittyneen ja pitkäikäisen vaihtoehdon perinteisille kuparipohjaisille lähiverkoille. Uusi kuitutekniikka vähentää merkittävästi kaapelointia ja energiankulutusta, tarjoten samalla huippunopeaa ja luotettavaa verkkoyhteyttä tulevaisuuden tarpeisiin.

RedCap vie IoT:n todelliseen 5G-aikaan

5G RedCap -teknologia on suunniteltu kuromaan umpeen kuilua energiatehokkaiden ja erittäin nopeiden verkkojen välillä, avaten tien uuden sukupolven IoT-laitteille. Tutustu, miten tämä teknologia mullistaa 5G-ekosysteemin ja vie IoT-sovellukset täysin uudelle tasolle.

Lue lisää...

Selain on yritysten tietoturvan sokea piste

Yritykset nojaavat yhä enemmän verkkoselaimiin päivittäisessä työssään, mutta samalla altistuvat vakaville tietoturvauhille. NordLayerin kyberturva-asiantuntijan mukaan perinteiset selaimet muodostavat tietoturvan sokean pisteen, jota on vaikea valvoa ja suojata – erityisesti pienemmissä organisaatioissa, sanoo NordLayerin asiantuntija Edvinas Buinovskis.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
R&S -seminaari: 6G
Oulussa 13.5.2025 (rekisteröidy)
Espoossa 14.5.2025 (rekisteröidy)
 
R&S -seminaari: Calibration
Tampereella 22.5.2025 (rekisteröidy)
 
R&S -seminaari: Aerospace & Defence Testing
Tampereella 5.6.2025. Tiedustelut asiakaspalvelu@rohde-schwarz.com
 

 

LATEST NEWS

NEW PRODUCTS

 
 
article