La miniaturización es una característica clave en la mayoría de los sistemas embebidos de hoy en día. Queremos más potencia de cálculo en nuestros bolsillos. La mayoría de los sistemas embebidos basados en FPGA también siguen la misma tendencia. Queremos cámaras industriales y profesionales más pequeñas, dispositivos médicos portátiles, controladores lógicos programables (PLC) más pequeños y módulos de asistencia al conductor en los automóviles. La miniaturización también plantea retos adicionales, el mayor de los cuales se puede condensar en un solo término: «rendimiento eficiente de la energía». Normalmente, si el rendimiento de un sistema aumenta, también lo hace su consumo de energía, lo que a su vez incrementa la disipación de calor. Y en los módulos más pequeños, la disipación de calor es un dolor de cabeza al que los diseñadores se enfrentan cada día. La refrigeración de un módulo para que pueda funcionar en un entorno con restricciones térmicas se convierte a menudo en el cuello de botella del rendimiento.
Este artículo destaca cómo las FPGAs están permitiendo la revolución tecnológica de la próxima generación al ofrecer un rendimiento eficiente de la energía en muchas nuevas aplicaciones de gran volumen en todos los ámbitos de la vida.
Las cámaras de pequeño formato que ejecutan algoritmos de IA están guiando a los agricultores mediante imágenes de drones, proporcionando análisis de vídeo en las cadenas de tiendas, contando pasajeros en el transporte y leyendo matrículas en los peajes.
En el ámbito médico, los ecógrafos portátiles están democratizando la prestación de cuidados sobre el terreno. Los endoscopios y las gafas inteligentes de asistencia quirúrgica están proporcionando a los médicos imágenes de mucha mayor resolución que antes. Los sistemas de vigilancia basados en imágenes térmicas y diseñados para proteger las fronteras contra los intrusos también se están volviendo más inteligentes. Generalmente desplegados en lugares remotos, estos sistemas deben funcionar de forma autónoma y permanecer ocultos.
Los creadores de contenido amateur están de moda hoy en día, lo que impulsa la necesidad de convertidores de vídeo en streaming basados en FPGA, que ofrecen a los creadores la opción de convertir flujos de vídeo 4K entre cualquier formato como HDMI, SDI, USB o PCIe.
La automatización industrial también se beneficia de la flexibilidad de las arquitecturas basadas en FPGA y de la longevidad de los más de 20 años de FPGA de Microchip. Actualmente los sistemas de asistencia al conductor en la automoción mantienen la seguridad del conductor y de los pasajeros en nuestros coches.
La arquitectura FPGA ha recorrido un largo camino. De tener que elegir entre rendimiento y potencia, y de ser utilizadas únicamente como plataforma de prototipos para los costosos ASIC, las FPGAs se consideran ahora la corriente principal, ofreciendo arquitecturas altamente fiables y de coste optimizado, junto con un software flexible y fácil de usar.
Veamos varios ejemplos de casos de uso en los que las FPGAs PolarFire® o los SoCs PolarFire, con su sistema de procesador RISC-V reforzado, desempeñan un papel fundamental.
Drones profesionales
Los drones profesionales tienen estrictos requisitos de seguridad de vuelo:
- Control y posicionamiento precisos, incluida la prevención de colisiones
- Frecuencias de comunicación y control seguras
- Tiempo de vuelo predecible
Para tener éxito en un mercado de drones tan amplio, los fabricantes de drones tienen que diferenciarse proporcionando características adicionales, como imágenes de alta resolución e inteligencia artificial. Los drones suelen necesitar múltiples sensores, el preprocesamiento o la fusión de los datos de los sensores y la transferencia de esos datos a través de una conexión inalámbrica, lo que los convierte en sistemas complejos.
El abanico de aplicaciones es muy amplio e incluye la supervisión de la salud y el crecimiento de los cultivos en la agricultura, la detección y posible seguimiento de objetos en el ámbito policial y militar, o la evaluación a distancia en situaciones de emergencia para los bomberos o la policía.
La electrónica de control de vuelo debe ser capaz de gestionar el control del motor y la velocidad del rotor, interactuar con los sensores y conectarse con los equipos remotos, todo ello en un entorno de tamaño, peso y potencia limitados.
El diagrama de bloques de un sistema de este tipo puede parecerse al siguiente:
Aprovechando la arquitectura flexible de la FPGA, los motores se controlan mediante algoritmos de control orientados al campo (FOC), cuyo control puede multiplexarse en el dominio del tiempo gracias al rendimiento de la FPGA. Un IP de control de motores común controla varios motores, cuyo número exacto depende de la arquitectura FPGA elegida.
La alta precisión del FOC permite un par de torsión constante en los motores, lo que se traduce en un funcionamiento más suave con menos vibraciones, menos generación de ruido y, lo que es más importante, la ampliación del tiempo de vuelo en aproximadamente un 10 por ciento o más en comparación con los controladores de motor estándar que utilizan simples microcontroladores.
Las interfaces adicionales, como los sensores visuales de luz, movimiento o infrarrojos, que se utilizan para soportar funciones mejoradas como la visión artificial requieren una cuidadosa consideración, e históricamente han exigido conocimientos especializados. El SDK VectorBlox™ de Microchip y el IP procesador de matrices ayudan a los desarrolladores novatos de FPGA a desplegar complejos algoritmos de redes neuronales en el tejido de la FPGA. Esto permite realizar clasificaciones o detecciones con una huella de muy bajo consumo. Las redes neuronales que se ejecutan en este acelerador-IP se diseñan utilizando entornos estándar como TensorFlow o Caffe.
Todos los resultados se almacenan en la memoria local de la placa y luego se transfieren a un módulo inalámbrico de la placa. Este se comunica con el operador, donde se reciben los datos recogidos para su almacenamiento y posterior uso. Las mejores características de seguridad de los dispositivos PolarFire protegen tanto los datos transferidos como el propio dron de accesos no autorizados.
Con una arquitectura de drones compleja que necesita múltiples dominios de aplicación – control de motores, control de vuelo e imágenes, el uso de una FPGA proporciona la ventaja de que las «tareas» individuales se ejecuten en paralelo.
Los sistemas de drones profesionales suelen tener que funcionar con un presupuesto de energía muy ajustado, de 5 vatios o menos. Utilizando una FPGA PolarFire para gestionar múltiples aplicaciones, se espera un consumo de energía inferior a 1,5 W para la FPGA, incluyendo el funcionamiento de la red neuronal.
Ultrasonidos Portátiles
Debido a la tendencia a la miniaturización, junto con los recursos de edge computing de bajo consumo y las consideraciones térmicas mejoradas, la innovación en imágenes médicas de bajo consumo está creciendo a pasos agigantados. A la cabeza están los diagnósticos en el punto de atención, como los equipos de ultrasonidos portátiles, que consisten en un transductor de mano que lee y envía datos ecográficos a un teléfono inteligente estándar. Las transmisiones pueden realizarse con un simple cable o de forma inalámbrica. Estos sistemas están revolucionando y democratizando las capacidades de diagnóstico del personal de emergencias médicas en lugares de accidentes, en regiones menos desarrolladas, y ayudando a los profesionales médicos a tomar decisiones de diagnóstico fuera de los entornos hospitalarios tradicionales.
El siguiente diagrama de bloques muestra un ejemplo de implementación:
El uso de una FPGA PolarFire en un dispositivo médico portátil ofrece la menor potencia total del sistema, lo que permite un control térmico eficiente y mantiene el cabezal del transductor frío, permitiendo el contacto directo con la piel. Estas eficiencias amplían el tiempo de funcionamiento en un encapsulado compacto de sólo 11×11 mm² que admite envolventes de sonda muy pequeños.
Convertidores de Video
Otra área en la que la flexibilidad, junto con un bajo consumo de energía y una pequeña huella física, es esencial es el ámbito de los convertidores de vídeo. Las cámaras profesionales de alto rendimiento suelen ofrecer una única interfaz de datos, lo que limita la selección de equipos de posprocesamiento compatibles con esa interfaz específica. El hecho de que un convertidor de vídeo ofrezca un puente a varios estándares de interfaz permite flexibilidad a la hora de seleccionar el equipo de posprocesamiento. El rendimiento no se ve afectado, ya que se admiten varios protocolos con numerosos transceptores multigigabit y velocidades de línea optimizadas de hasta 12,7 Gbps, compatibles con los protocolos HDMI, CoaXPress, SDI y Ethernet. Los factores de forma de los convertidores son compactos, ya que no se necesitan disipadores ni ventiladores. Se estima que los convertidores de vídeo construidos con tecnología PolarFire requieren menos de dos vatios de consumo de energía.
A continuación, se muestra un ejemplo de diseño de convertidor de vídeo:
Automatización Industrial
Se utilizan como ejemplo dos casos de uso diferentes, las cámaras industriales y los PLC.
Las cámaras industriales suelen requerir altas frecuencias de fotograma, alta resolución y un factor de forma pequeño, lo que hace que el diseño térmico sea a menudo un reto. Gracias a la optimización del diseño del encapsulado y a las eficientes características térmicas, este reto puede ser fácilmente abordado. El bajo consumo de energía estática permite que el dispositivo se mantenga frío, lo que mejora las consideraciones de diseño de la gestión térmica. La resolución no se ve comprometida, los datos de imagen de hasta 4K con 60 fotogramas/segundo pueden manejarse fácilmente con interfaces de receptor MIPI CSI-2 que soportan de forma nativa hasta 1,5 Gbps/línea.
A pesar de ser físicamente más grandes como sistema completo, los PLCs tienen las mismas limitaciones de espacio y energía que las cámaras.
Estos sistemas basados en racks son modulares, lo que permite a los usuarios finales personalizar su sistema y ofrecer anchos de chasis estándar. El rendimiento de procesamiento sigue siendo una necesidad para soportar Ethernet industrial, interfaces hombre-máquina, control de motores/controladores y sistemas operativos en tiempo real (RTOS).
El siguiente gráfico muestra un diagrama de bloques genérico de un sistema de este tipo, mapeado en el SoC PolarFire, el primer FPGA-SoC construido sobre un procesador RISC-V de cuatro núcleos. El SoC PolarFire soporta el multiprocesamiento asimétrico (AMP) de forma nativa, junto con una asignación fija y granular de las vías de caché a los procesadores individuales. Este soporte nativo de AMP permite la multitarea. Por ejemplo, se puede asignar un solo núcleo de procesador para una pila de protocolos de Ethernet industrial, mientras que un segundo núcleo puede ejecutar un sistema operativo Linux. La caché correspondiente es fija, y Linux se separa de otros recursos de hardware. Además, los otros dos núcleos disponibles pueden utilizarse para gestionar los algoritmos necesarios para el control del motor o un inversor.
Una vez más, el bajo consumo de energía desempeña un papel importante a la hora de mantener baja la temperatura de los componentes electrónicos del interior de los módulos blade, incluso en entornos térmicos difíciles de 60 °C de temperatura ambiente y mayores.
Para conocer más a fondo por qué el bajo consumo de energía es importante en los sistemas alimentados por cable, consulte el siguiente artículo, alojado en los blogs de Microchip:
La automatización industrial abarca una amplia gama de aplicaciones y requisitos. Entre los productos industriales es común la necesidad de ofrecer soporte y disponibilidad de los dispositivos durante 20 años o más. Microchip se dedica plenamente a este requisito de longevidad y ofrece soporte con un sólido programa de «garantía de suministro».
Automoción
Muchas aplicaciones diferentes en el mercado actual de la automoción requieren la flexibilidad de las FPGA, desde sensores como LIDAR, radares de imágenes o cámaras, hasta funciones más ocultas como la conducción altamente precisa y estrechamente sincronizada de motores eléctricos a través de controladores de alto voltaje. Una aplicación que está surgiendo con fuerza es el uso de cámaras para avisar de colisiones. Estas cámaras permiten la detección de situaciones peligrosas con retroalimentación al conductor o también con control directo en el vehículo como la activación automática de los frenos.
Estos sistemas tienen fuertes requisitos de seguridad funcional, seguridad y procesamiento de baja latencia combinados con la capacidad de funcionar de forma fiable en entornos de alta temperatura causada por el calor del motor y la luz solar.
El siguiente diagrama muestra la configuración de un sistema que utiliza el PolarFire MPF050T, los elementos de seguridad están dibujados en amarillo, la seguridad en verde:
La memoria segura no volátil integrada (sNVM) permite el almacenamiento de claves de flota para autentificar dentro del módulo de la cámara dentro de la red de vehículos. Los fotogramas de imagen recibidos se procesan en modo de flujo utilizando la naturaleza paralela de la FPGA y, además, se les proporciona información de seguridad adicional como el recuento de fotogramas y el CRC para la protección de extremo a extremo de la comunicación. El procesamiento en flujo de los datos de imagen evita el peligro de utilizar «imágenes congeladas» de la memoria y permite el procesamiento con un tiempo de ejecución fijo, lo que se traduce directamente en más tiempo de reacción para el sistema. Dependiendo de los requisitos exactos del OEM, la FPGA también proporciona la flexibilidad necesaria para soportar la interconexión con varios serializadores propietarios establecidos.
Los factores comunes a todas las aplicaciones, aunque no se hayan detallado anteriormente, son los impulsores del negocio para lanzar un producto exitoso al mercado. Para reducir el riesgo, llegar al cliente antes que la competencia y optimizar el coste del sistema mientras se obtienen beneficios, hay que considerar cuidadosamente la arquitectura del sistema y el socio de suministro. La amplia cartera de productos de Microchip ofrece una asociación de solución de sistema total. Benefíciese de componentes clave y soluciones de diseño de referencia para reducir el riesgo de desarrollo y el número de componentes. Los diseñadores también pueden ahorrar tiempo y dinero, ya que las soluciones están validadas para la funcionalidad cruzada y ofrecen garantías en muchos casos.
Para más información, visite https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fpgas
