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

Pieni siru jäähdyttää SSD-levyä yli 30 prosenttia

Piilaaksolainen xMEMS Labs esittelee maailman ensimmäisen SSD:n sisälle rakennetun aktiivisen jäähdytysjärjestelmän. Uusi µCooling-teknologia voi laskea levyjen lämpötilaa jopa 30 prosenttia ilman liikkuvia osia, mahdollistaen paremman suorituskyvyn datakeskuksissa ja ohuissa kannettavissa.

PC-myynti kasvaa, mutta on kaukana huippuvuoden lukemista

Globaali PC-myynti osoitti positiivista kehitystä vuoden 2025 alkupuoliskolla, yllättäen monet analyytikot ja markkinaseuraajat. IDC:n tuoreimman raportin mukaan perinteisten PC-tietokoneiden (pöytäkoneet, kannettavat ja työasemat) toimitusmäärät nousevat arviolta 274 miljoonaan yksikköön tänä vuonna, mikä tarkoittaa 4,1 % kasvua edellisvuoteen verrattuna.

Suomen lennot voidaan jo lähitulevaisuudessa lentää sähköllä

Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen natrium-ilma-polttokennon, joka voi varastoida yli kolme kertaa enemmän energiaa painoyksikköä kohden kuin nykyiset litiumioniakut. Tämä läpimurto voi mahdollistaa sähkökäyttöiset lyhyen matkan lennot, ja lisäksi tarjota kevyen ja ympäristöystävällisen energiaratkaisun myös junille, laivoille ja raskaalle liikenteelle.

Merkittävä parannus litium-metalliakuissa

Litium-metalliakut ovat pitkään olleet yksi lupaavimmista teknologioista, jotka voisivat mullistaa energian varastoinnin niin sähköautoissa kuin uusiutuvan energian järjestelmissä. Nyt Korean yliopiston (Korea University, KU) ja Seoul National Universityn tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen eteenpäin kehittämällä uuden elektrolyyttiadditiivin, joka parantaa huomattavasti litium-metalliakkujen tehokkuutta, käyttöikää ja turvallisuutta.

Tekoäly tuo valheellisen kontrollin teollisuusverkkoihin

Teollisen esineiden internetin (Industrial IoT, IIoT) nopeasti kehittyvässä maailmassa tekoälyyn perustuva päätöksenteko operatiivisissa teknologioissa (OT) on luonut tunteen paremmasta hallinnasta, nopeammasta reagoinnista ja ennakoivasta tehokkuudesta. Tämä tunne kontrollista voi kuitenkin olla vaarallinen harha, kirjoittaa Check Point Softwaren globaalien ratkaisujen arkkitehtuureista vastaava Antoinette Hodes.

Anthropicin uudet mallit tuovat tehokkaamman koodaamisen AWS:lle

Anthropic on julkaissut uudet Claude 4 -sukupolven mallit ja ne ovat nyt saatavilla Amazon Bedrockissa. Claude Opus 4 ja Claude Sonnet 4 -mallien painopiste on erityisesti ohjelmoinnissa, pitkäjänteisessä päättelyssä ja tekoälyagenttien tukemisessa – ja niiden suorituskyky koodauksen tehtävissä on tällä hetkellä markkinoiden kärkeä.

Samsungin Edge näyttää tietä tulevaan

Samsungin uusi Galaxy S25 Edge rikkoo muotoilun rajoja, mutta ohuus tuo mukanaan myös merkittäviä kompromisseja. S-sarjan ohuin laite on vain 5,8 mm paksu ja painaa vain 163 grammaa, kaikkea ei voi saada samaan pakettiin.

Tamperelainen VLSI Solution yhdisti Linuxin ja RISC-V:n audioprosessorissa

Tampereella toimiva VLSI Solution on julkistanut uuden piirisarjan, joka yhdistää Linux-käyttöjärjestelmän, avoimen RISC-V-suorittimen ja reaaliaikaisen DSP-prosessorin samaan siruun. Uusi VSRVES01-piiri on suunniteltu erityisesti verkkoäänisovelluksiin ja IoT-laitteisiin, joissa tarvitaan sekä tehokasta signaalinkäsittelyä että joustavaa ohjelmistoalustaa.

Nokia kiihdyttää kotien Wi-Fi-verkot 9,4 gigabittiin

Nokia tuo markkinoille kaksi uutta Wi-Fi 7 -reititintä, jotka lupaavat ennennäkemätöntä nopeutta ja kattavuutta kotiverkkoihin. Malliston lippulaiva, Beacon 9, yltää jopa 9,4 gigabitin sekuntinopeuksiin.

Infineon vie galliumnitridin avaruuteen

Infineon Technologies on julkaissut uuden sukupolven säteilyä kestävät GaN- eli galliumnitridi-transistorit, jotka on valmistettu yhtiön omalla tehtaalla CoolGan-teknologiaan pohjautuen. Uutuustuotteet on suunniteltu kestämään avaruuden vaativia olosuhteita, ja yksi niistä on ensimmäinen täysin sisäisesti valmistettu GaN-laite, joka on saavuttanut Yhdysvaltain puolustuslogistiikkaviraston (DLA) myöntämän JANS.

Modeemeissa on eroja

Apple on ottanut ison askeleen irtautuessaan Qualcommin modeemeista ja julkaissut ensimmäisen oman 5G-modeeminsa, C1:n, iPhone 16e -mallin yhteydessä. Vaikka siirtymä tuo Applen laite- ja ohjelmistosuunnittelun entistä tiiviimmin yhteen, tuoreiden testien valossa Qualcommin modeemit tarjoavat edelleen parempaa suorituskykyä erityisesti nopeuden osalta.

Yokogawa istutti datankeruunsa PC:n kylkeen

Mittaus- ja testausyritys Yokogawa Test & Measurement on julkaissut uuden SL2000 High-Speed Data Acquisition Unit -laitteen, joka tuo perinteisen ScopeCorderin tehon suoraan PC:n ohjaukseen. Käytännössä kyse on siitä, että aiemman DL950:n ydin on siirretty PC-pohjaiseen järjestelmään, ilman omaa näyttöä, mutta varustettuna tehokkaalla datansiirrolla ja kehittyneillä ohjelmistoilla.

Oikein tehtynä jokainen NFC-liitos on erittäin turvallinen

NFC-teknologia (Near Field Communication) on jo pitkään mahdollistanut langattoman, nopean ja helppokäyttöisen yhteyden esimerkiksi maksutilanteissa, älylaitteiden yhdistämisessä ja tuotteiden tunnistamisessa. Viime vuosina turvallisuusnäkökulma on noussut keskiöön, ja oikein toteutettuna NFC-yhteydestä voi tulla paitsi vaivaton myös erittäin turvallinen.

Läpimurto akkuteknologiassa – litiumionien liike paranee 30 prosenttia

Tutkijat Münchenin teknillisestä yliopistosta (TUM) ovat kehittäneet uuden materiaalin, joka mahdollistaa litiumionien liikkeen yli 30 prosenttia aiempaa nopeammin. Kyseessä on maailmanennätys ionien johtavuudessa ja samalla merkittävä askel kohti tehokkaampia ja turvallisempia kiinteäakkuja.

OnePlus ottaa tietoisen riskin: tilakytkin vaihtuu monitoiminappiin

OnePlus on päättänyt luopua yhdestä tunnistettavimmista ominaisuuksistaan eli fyysisestä Alert Slider -tilakytkimestä ja korvata sen uudella ohjelmoitavalla Plus Key -painikkeella. Muutos on osa yhtiön uutta tekoälystrategiaa, jonka keskiössä on ”käyttäjäkohtaisesti mukautuva älykkyys”.

Nokia tappaa kuparin kuluttajien yhteyksistä

Nokian eilen julkistaman uuden 25G PON -linjakortin voi sanoa merkitsevän kuparikaapelointiin perustuvien kuluttajalaajakaistojen lopun alkua. Yhtiön mukaan uutuus tuo todelliset 10 gigabitin yhteydet koteihin kustannustehokkaasti. Tämä tekee kupariyhteyksistä teknisesti ja taloudellisesti vanhentuneita.

Xiphera palkittiin laitepohjaisesta salauksestaan

Suomalainen Xiphera on voittanut arvostetun ECSO STARtup Award 2025 -palkinnon Euroopan kyberturvallisuusjärjestön järjestämässä kilpailussa Haagissa. Palkinto myönnettiin yrityksen huippuluokan laitteistopohjaisista kryptografiaratkaisuista, jotka tarjoavat korkean turvallisuustason kriittisille toimialoille, kuten energia-, puolustus- ja tietoliikennesektorille.

Jokainen pörssiasiakas on 65,1 metrin kuituyhteyden päässä

Pörssikauppa Pohjoismaissa toimii yhä tarkasti säädellyissä olosuhteissa, vaikka teknologia loikkaa pilveen. Nasdaqin ja AWS:n huhtikuussa julkistama yhteistyö vie markkinainfrastruktuurin uudelle aikakaudelle, mutta yksi asia pysyy: jokaisella kaupankäyntiosapuolella on edelleen yhtä pitkä matka pörssijärjestelmään – kirjaimellisesti.

Siirtyminen 22 nanometriin on Silicon Labsille iso askel

Silicon Labs on julkistanut uuden sukupolven järjestelmäpiirit (SoC), jotka merkitsevät merkittävää teknologista harppausta yhtiön historiassa. Uudet Series 3 -piirit, SiXG301 ja SiXG302, valmistetaan edistyksellisellä 22 nanometrin valmistustekniikalla, mikä parantaa huomattavasti suorituskykyä, energiatehokkuutta ja integroitavuutta aiempiin sukupolviin verrattuna.

Arm-pohjainen prosessori pidentää selvästi läppärin käyttöikää

Uuden sukupolven kannettavat tietokoneet hyötyvät nyt merkittävästi Arm-pohjaisten prosessoreiden energiatehokkuudesta. HP:n uusimmat OmniBook 5 -sarjan mallit osoittavat, että kannettavan akunkesto voi yltää jopa 34 tuntiin. Tämä tarkoittaa useita päiviä tavallisessa käytössä ilman lataustarvetta.

3D-tulostus on tie kestävään elektroniikkavalmistukseen

ETN - Technical articlePerinteinen elektroniikan valmistus perustuu prosesseihin, jotka johtavat usein materiaalihävikkiin, korkeisiin työkalukustannuksiin ja merkittäviin varastointikuluihin. Viime vuosina lisäävä valmistus (additive), erityisesti 3D-tulostus, on kuitenkin alkanut nousta varteenotettavaksi vaihtoehdoksi elektroniikan valmistuksessa, sillä se tarjoaa lisää suunnittelun joustavuutta sekä mahdollisia ympäristö- ja taloudellisia etuja.

Lue lisää...

Tekoäly tuo valheellisen kontrollin teollisuusverkkoihin

Teollisen esineiden internetin (Industrial IoT, IIoT) nopeasti kehittyvässä maailmassa tekoälyyn perustuva päätöksenteko operatiivisissa teknologioissa (OT) on luonut tunteen paremmasta hallinnasta, nopeammasta reagoinnista ja ennakoivasta tehokkuudesta. Tämä tunne kontrollista voi kuitenkin olla vaarallinen harha, kirjoittaa Check Point Softwaren globaalien ratkaisujen arkkitehtuureista vastaava Antoinette Hodes.

Lue lisää...

 

Tule tapaamaan meitä tulevissa tapahtumissamme.
R&S-seminaareihin saat kutsukirjeet ja uutiskirjeet suoraan sähköpostiisi, kun rekisteröidyt sivuillamme.
 
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