Taskuun sopiviin laitteisiin halutaan yhä enemmän laskentatehoa.
Myös useimmat FPGA-pohjaiset sulautetut järjestelmät seuraavat tätä samaa suuntausta. Kaikkialla halutaan kooltaan yhä pienempiä teollisuus- ja ammattilaiskameroita, lääketieteellisiä kämmenlaitteita, pieniä ohjelmoitavia logiikkaohjaimia sekä kuljettajan avuksi
tarkoitettuja moduuleja ajoneuvoihin.

Elektroniikan kutistaminen tuo myös lisähaasteita – tärkein niistä voidaan tiivistää muotoon ’ener-giatehokas suorituskyky’. Jos järjestelmän suorituskykyä nostetaan, myös sen tehonkulutus yleensä kasvaa, mikä taas lisää lämpöhäviöitä. Pienimmissä moduuleissa lämmön poistaminen järjestelmästä tuottaa päävaivaa, josta suunnittelijat joutuvat kokemaan päivittäin. Moduulin jäähdyttäminen niin, että se voi luotettavasti toimia termisesti haastavissa ympäristöissä, muodostuu usein suorituskyvyn pullonkaulaksi.

Tässä artikkelissa kuvataan, miten FPGA-piirit mahdollistavat seuraavan sukupolven teknologisen vallankumouksen tarjoamalla energiatehokasta suorituskykyä lukuisissa uusissa suuren volyymin sovelluksissa kaikilla elämänalueilla.

Tekoälyalgoritmeja hyödyntävät pienikokoiset kamerat opastavat maanviljelijöitä drone-kuvien avulla, tarjoavat videoanalytiikkaa vähittäiskaupan ketjuille, laskevat matkustajien määriä kuljetusalalla sekä tunnistavat ajoneuvojen rekisterikilpiä liikenteen seurannassa ja tiemaksujärjestelmissä.

Lääketieteen alueella kannettavat ultraäänilaitteet helpottavat tutkimusresurssien tarjoamista kaikille hoitoa tarvitseville. Endoskoopit ja kirurgien älykkäät apulasit tarjoavat lääkäreille kuvia suuremmalla resoluutiolla kuin koskaan aiemmin. Myös lämpökuvaukseen perustuvat valvontajärjestelmät esimerkiksi rajojen läheisyydessä tulevat kaiken aikaa älykkäämmiksi. Syrjäisiin paikkoihin sijoitettujen järjestelmien on myös kyettävä toimimaan itsenäisesti ja pysyttävä piilossa.

Villisti runsastuneet amatööritason sisällöntuottajat lisäävät kysyntää suoratoistossa käytettäville FPGA-pohjaisille videomuuntimille. Ne antavat tekijöille mahdollisuuden muuntaa 4K-tasoisia videostriimejä minkä tahansa formaattien välillä: HDMI, SDI, USB, PCIe.

Teollisuusautomaatio hyötyy sekin FPGA-pohjaisten arkkitehtuurien joustavuudesta ja FPGA-piirien yli 20 vuoden käyttöiästä. Autonkuljettajia avustavat järjestelmät puolestaan varmistavat sekä matkustajien että kuljettajien turvallisuuden tämän päivän ajoneuvoissa.

FPGA-arkkitehtuuri on kehittynyt jo pitkälle. Alun perin suorituskyvyn ja tehonkulutuksen välisestä tasapainoilusta ja käyttämisestä vain kalliiden ASIC-piirien prototyyppeinä on nyt siirrytty vaiheeseen, jossa FPGA-ratkaisuista on tulossa valtavirtaa. Ne tarjoavat erittäin luotettavan sekä kustannuksiltaan optimoidun arkkitehtuurin, jota tuetaan joustavilla ja helppokäyttöisillä ohjelmistoilla.

Seuraavassa esitellään muutamia esimerkkejä käyttökohteista, joissa suojaukseltaan vahvistettua RISC-V-suoritinta hyödyntävät PolarFire-perheen FPGA:t tai SoC-piirit ovat keskeisellä sijalla.

AMMATTITASON DRONET

Ammattikäyttöön tarkoitetuilla droneilla on tiukat lentoturvallisuuden vaatimukset:

• Tarkka ohjaus ja paikannus, mukaan lukien törmäysten välttäminen
• Suojatut viestintä- ja ohjaustaajuudet
• Ennustettava lentoaika

Menestyäkseen lennokkien valtavilla markkinoilla drone-valmistajien on erotuttava joukosta tarjoamalla lisäominaisuuksia kuten korkean resoluution kuvantamista ja tekoälyä. Dronet vaativat yleensä useita antureita sekä niiden tuottamien anturitietojen esikäsittelyä ja yhdistelyä. Tiedot täytyy myös siirtää langattoman yhteyden kautta, joten niistä muodostuu väkisin hyvin monimutkaisia järjestelmiä.

Sovelluskohteiden valikoima on erittäin laaja: maataloudessa tuotettavan viljasadon terveys-tilan ja kasvun valvontaa, esineiden havainnointia ja seurantaa sekä poliisin, armeijan tai palo-kunnan suorittamaa etäarviointia hätätilanteissa.

Lennon ohjauselektroniikan on kyettävä käsittelemään moottorien ohjaamista ja roottorien nopeudensäätöä, toimittava vuorovaikutuksessa anturien kanssa ja pystyttävä kytkeytymään etälaitteisiin. Ja kaikki tämä on hallittava koon, painon ja tehon suhteen rajoitetussa ympäristössä.

Hyödyntämällä joustavaa FPGA-arkkitehtuuria moottoreita ohjataan FOC-algoritmeilla (Field-Oriented Control), jolloin ohjaus voidaan multipleksoida aikatasossa FPGA:n suorituskyvyn ansiosta. Useita moottoreita voidaan ohjata yhteisellä ohjaus-IP:llä, ja moottorien tarkka lukumäärä riippuu valitusta FPGA-arkkitehtuurista.

FOC-ohjauksen suuri tarkkuus mahdollistaa moottoreiden vakaan vääntömomentin, mikä takaa tasaisemman käynnin, joka tuottaa vähemmän tärinää ja melua. Ja mikä tärkeintä, ohjaustarkkuuden ansiosta lentoaikaa voidaan pidentää vähintään 10 prosenttia verrattuna tavanomaisiin moottorinohjaimiin, jotka hyödyntävät yksinkertaisia mikro-ohjaimia.

Konenäön kaltaisia paranneltuja ominaisuuksia tukemaan tarvitaan lisäliitäntöjä näkyvän valon ja infrapunasäteilyn alueella toimiville antureille ja liiketunnistimille. Ne vaativat huolellista harkintaa ja erikoisosaamista.

Microchipin tarjoama VectorBlox-ohjelmistonkehityssarja (SDK) ja matriisiprosessointi-IP auttavat aloittelevia FPGA-kehittäjiä ottamaan käyttöön monimutkaisia neuroverkkoalgoritmeja FPGA-matriiseissa.

Tämä mahdollistaa luokittelujen ja havaintojen käsittelyn piiriosassa, joka vaatii vain erittäin niukasti tehoa. Tällä kiihdytin-IP:llä ohjattavat neuroverkot on suunniteltu käyttäen standardikehyksiä (esimerkiksi TensorFlow tai Caffe).

Kaikki tulokset puskuroidaan paikalliseen sisäiseen muistiin ja siirretään sen jälkeen sisäiseen langattomaan moduuliin. Se puolestaan kommunikoi operointilohkon kanssa, missä kerätyt tiedot vastaanotetaan säilytystä ja jatkokäyttöä varten. PolarFire-piirien huippuluokan turvaominaisuudet suojaavat sekä siirrettyä dataa että itse dronea luvattomalta käytöltä.

Monimutkaisessa drone-arkkitehtuurissa, joka kattaa useita eri sovellusalueita: moottorinohjaus, lennonohjaus, kuvantaminen. FPGA:n käyttö tuo etuja tarjoamalla mahdollisuuden yksittäisten ’tehtävien’ suorittamiseen rinnakkaismuodossa.

Ammattikäyttöön suunniteltujen drone-järjestelmien on yleensä toimittava tiukalla, enintään 5 watin tehobudjetilla. Käyttämällä PolarFire-perheen FPGA-piirejä useiden sovellusten hallintaan tehonkulutus jää alle 1,5 watin, neuroverkko mukaan luettuna.

KANNETTAVAT ULTRAÄÄNILAITTEET

Miniatyrisoinnin, energiatehokkaiden reunalaskentaresurssien ja paranneltujen lämpöominaisuuksien ansiosta niukasti tehoa kuluttavat lääketieteellisen kuvantamisen järjestelmät edistyvät pitkin harppauksin. Kehityksen vetureina toimivat hoitopisteiden diagnostiikkalaitteet kuten kannettavat ultra-äänilaitteet, jotka koostuvat käteen sopivasta muuntimesta, joka lukee ja lähettää sonografista dataa tavalliseen älypuhelimeen. Lähetykset voidaan hoitaa yksinkertaisella kaapelilla tai langattomasti.

Nämä järjestelmät mullistavat ensiapuhenkilöstön diagnostiikkavalmiuksia ja antavat mahdollisuuden tarjota kaikille hoitoa tarvitseville apua onnettomuus-paikoilla esimerkiksi taajamien ulkopuolella. Lääkintäalan ammattilaiset voivat niiden avulla tehdä diagnostisia päätöksiä perinteisten sairaalaympäristöjen ulkopuolella.

PolarFire-perheen FPGA-piirien hyödyntäminen kädessä pidettävissä lääketieteellisissä laitteissa tarjoaa järjestelmälle hyvin alhaisen kokonaistehon-kulutuksen, jolloin lämpeneminen on vähäistä ja anturipää pysyy viileänä mahdollistaen näin suoran ihokosketuksen. Tämä energiatehokkuus pidentää käyttöaikaa piirille, jonka kompakti kotelo vie vain 11 x 11 millin tilan piirilevyltä ja soveltuu siten hyvin pienikokoisiinkin anturipäihin.

VIDEOMUUNTIMET

Toinen sovellusalue, jolla joustavuus, vähäinen tehonkulutus ja pieni fyysinen koko ovat välttämättömiä, on videomuuntimien valtakunta. Suorituskykyiset ammattitason kamerat tarjoavat tyypillisesti vain yhden dataliitännän, mikä rajoittaa kyseistä liitäntää tukevien jälkikäsittelylaitteiden valintamahdollisuuksia. Videomuunnin tarjoaa sillan useisiin liitäntästandardeihin ja tuo näin joustavuutta jälkikäsittelylaitteiden valintaan.

Suorituskyky ei vaarannu, sillä usean gigabitin sekuntinopeuksilla toimivat lähetin-vastaanottimet tukevat useita eri proto-kollia. Optimoidut linjanopeudet aina 12,7 gigabitin sekuntinopeuksiin asti tukevat HDMI- CoaXPress-, SDI- ja Ethernet-protokollia. Muuntimet ovat kompakteja, koska jäähdytyselementtejä ja tuulettimia ei enää tarvita. PolarFire-teknologiaan perustuvien videomuuntimien tehonkulutus on alle parin watin luokkaa.

TEOLLISUUSAUTOMAATIO

Seuraavissa esimerkeissä esitellään kaksi erityyppistä käyttötapausta:  teollisuusautomaatioon soveltuvat kamerat ja PLC-laitteet.

Teollisuuskamerat vaativat tyypillisesti suuria kuvanopeuksia, korkeaa resoluutiota ja pientä kokoa, mikä tekee lämpösuunnittelusta usein haasteellista. Piirien optimoidun koteloinnin ja energiatehokkaiden lämpöomi-naisuuksien ansiosta tämä on helppo ratkaista.

Hyvin pieni staattinen tehonkulutus mahdollistaa laitteen säilymisen viileänä, mikä edes-auttaa lämmönhallinnan suunnittelua. Korkeasta resoluutiosta ei tarvitse tinkiä, sillä jopa 4K-tasoista kuvadataa 60 kuvan sekuntinopeudella voidaan helposti käsitellä vastaanottimien MIPI CSI-2 -liitännöillä, jotka tukevat natiivisti jopa 1,5 gigabitin sekuntinopeuksia.

Vaikka PLC-laitteet ovat fyysisesti suurempia kokonaisina järjestelminä, ne ovat samaan tapaan rajoitettuja tilan ja tehonkulutuksen suhteen kuin kamerat.

Nämä telineisiin sijoitettavat järjestelmät ovat modulaarisia, joten loppukäyttäjät voivat räätälöidä omat järjestelmänsä standardoitujen räkkileveyksien ansiosta. Prosessoinnin riittävä suorituskyky on niissäkin välttämätön ominaisuus teollisen Ethernetin, HM-rajapintojen (Human-Machine), moottorinohjausten ja reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien (RTOS) tukemiseksi.

PolarFire-perheen SoC-piiriin perustuva ratkaisu on ensimmäinen FPGA-järjestelmäpiiri, joka on rakennettu neliytimisen RISC-V-suorittimen ympärille. PolarFire SoC tukee natiivisti epäsymmetristä moniprosessointia (AMP) sekä kiinteää hienojakoista välimuistien allokointia yksittäisille prosessoreille.

Tämä natiivi AMP-tuki mahdollistaa useiden tehtävien prosessoinnin yhtäaikaa. Esimerkiksi yksi suoritinydin voidaan varata teolliselle Ethernet-protokolla-pinolle, kun taas toisessa ytimessä voidaan ajaa Linuxia. Vastaava välimuisti on kiinteä ja Linux on erotettu muista laiteresursseista. Lisäksi kahdella muulla ytimellä voidaan käsitellä vaadittuja moottorinohjauksen tai invertterin algoritmeja.

Tässäkin tapauksessa vähäisellä tehonkulutuksella on tärkeä rooli telineeseen sijoitettujen blade-moduulien sisältämien komponenttien lämpötilan pitämiseksi alhaisena haastavissa lämpö-olosuhteissa, kun ympäristön lämpötila voi olla jopa yli 60°C.

Alhaisen tehonkulutuksen tärkeys kaapelin kautta syötetyissä järjestelmissä käy hyvin ilmi Microchipin julkaisemasta blogiartikkelista, joka löytyy täältä.

Teollisuusautomaatio kattaa laajan valikoiman sovelluksia ja vaatimuksia. Teollisuustuotteille yleistä on tarve tarjota tukea ja laitteiden saatavuutta yli 20 vuoden ajan. Microchip on täysin omistautunut tähän käyttöiän vaatimukseen ja tarjoaa tukea vankalla toimitusten varmennusohjelmalla.

AUTOTEOLLISUUS

Tämän päivän automarkkinoilla monet erilaiset sovellukset edellyttävät FPGA-piireiltä joustavuutta: aina lidarin kaltaisista antureista kuvannuskameroihin ja -tutkiin asti sekä piilotettuihin toimintoihin, kuten erittäin tarkkaan ja tiukasti synkronoituun moottorinohjaukseen suurjänniteohjaimien avulla.

Yksi vahvasti nouseva sovellusalue on kameroiden käyttö törmäysvaarasta varoittamiseen. Nämä kamerat mahdollistavat vaarallisten tilanteiden havaitsemisen ja niihin reagoimisen kuljettajalle annettavan palautteen avulla tai ohjaamalla suoraan ajoneuvoa, esimerkiksi aktivoimalla jarrujen toiminnan.

Näillä järjestelmillä on korkeat vaatimukset toiminnalliselle turvallisuudelle, tietoturvalle ja vähäisin viivein tapahtuvalle käsittelylle. Ja kaiken tämän tulee toimia moitteettomasti ja luotettavasti moottorin tuottaman kuumuuden ja auringonpaahteen synnyttämissä korkeissa lämpö-tiloissa.

Suojattu haihtumaton muisti (sNVM) mahdollistaa useiden käyttäjien avainten tallentamisen todennusta varten ajoneuvoverkkoon liitetyssä kameramoduulissa. Vastaanotetut kuvakehykset käsitellään striimaus-tilassa hyödyntämällä FPGA:n rinnakkaisluonnetta. Niihin on myös liitetty lisäturvatietoja, kuten kehysten määrä ja CRC-tarkistussumma, viestinnän suojaamiseksi päästä-päähän.

Kuvadatan suoratoistokäsittely eliminoi vaaran käyttää ’jäädytettyjä’ kuvia muistista ja mahdollistaa käsittelyn kiinteällä suoritusajalla, mikä antaa järjestelmälle enemmän aikaa reagointiin.

Täsmällisistä OEM-vaatimuksista riippuen FPGA tarjoaa myös tarvittavan joustavuuden tukemaan liittämistä useisiin vakiintuneisiin serializer-piireihin.

Yhteistä kaikille sovelluksille edellä kuvattujen lisäksi ovat liiketoiminnalliset tekijät menestyvän tuotteen tuomiseksi markkinoille. Riskien vähentäminen, asiakkaiden tavoittaminen ennen kilpailijoita ja järjestelmäkulujen optimointi sekä voittojen maksimointi edellyttävät järjestelmäarkkitehtuurin ja toimituskumppanin huolellista harkintaa. Microchipin kattava tuotevalikoima tarjoaa kokonaisvaltaisen kumppanuuden järjestelmäratkaisuun. Sen avulla on mahdollista hyödyntää avainkomponentteja ja referenssisuunnitelmia kehitystyön riskien ja tarvittavan komponenttimäärän vähentämiseksi. Suunnittelijat voivat myös säästää aikaa ja rahaa, koska ratkaisut on validoitu keskenään toimiviksi ja tarjoavat kattavat toimintatakuut monissa tapauksissa.

Artikkeli on ilmestynyt tuoreessa ETNdigi 2/2022 -lehdessä. Sitä pääset lukemaan täällä.

Toukokuun ajan voit myös osallistua kisaan, jossa voit äänestää lehden parasta artikkelia ja voittaa upean OnePlus Nord 2 -älypuhelimen. Lue lisää täällä.