La miniaturisation est aujourd'hui une caractéristique clé de la plupart des systèmes embarqués. Nous voulons plus de puissance de calcul dans nos poches. La plupart des systèmes embarqués basés sur FPGA suivent également la même tendance. Nous voulons des caméras industrielles et professionnelles plus petites, des dispositifs médicaux portables, des automates plus petits et des modules d'aide à la conduite dans les voitures. La miniaturisation pose également des défis supplémentaires, dont le plus important peut être condensé en un seul terme : « performance écoénergétique ». En règle générale, si les performances d'un système augmentent, sa consommation d'énergie augmente également, ce qui augmente à son tour la dissipation de chaleur. Et dans les modules plus petits, la dissipation thermique est un casse-tête auquel les concepteurs sont confrontés chaque jour. Refroidir un module pour qu'il puisse fonctionner dans un environnement thermiquement contraint devient souvent le goulot d'étranglement des performances.
Cet article explique comment les FPGA permettent la révolution technologique de nouvelle génération en offrant des performances économes en énergie dans de nombreuses nouvelles applications à volume élevé dans tous les domaines de la vie.
Des caméras petit format exécutant des algorithmes d'IA guident les agriculteurs à travers des images de drones, fournissent des analyses vidéo dans les chaînes de magasins, comptent les passagers en transit et lisent les plaques d'immatriculation aux postes de péage.
Dans le domaine médical, les échographes portables démocratisent la prestation des soins sur le terrain. Les endoscopes et les lunettes intelligentes d'assistance chirurgicale fournissent aux cliniciens des images de résolution beaucoup plus élevée que jamais auparavant. Les systèmes de surveillance basés sur l'imagerie thermique et conçus pour protéger les frontières contre les intrus deviennent également plus intelligents. Généralement déployés dans des endroits éloignés, ces systèmes doivent fonctionner de manière autonome et rester cachés.
Les créateurs de contenu amateurs font fureur aujourd'hui, ce qui nécessite des convertisseurs vidéo en streaming basés sur FPGA, offrant aux créateurs la possibilité de convertir des flux vidéo 4K entre n'importe quel format tel que HDMI, SDI, USB ou PCIe.
L'automatisation industrielle bénéficie également de la flexibilité des architectures basées sur FPGA et de la longévité des FPGA de Microchip sur 20 ans. Actuellement, les systèmes d'assistance à la conduite automobile maintiennent la sécurité du conducteur et des passagers dans nos voitures.
L'architecture FPGA a parcouru un long chemin. D'avoir à choisir entre performances et puissance, et d'être utilisés uniquement comme plate-forme de prototypage pour des ASIC coûteux, les FPGA sont désormais considérés comme courants, offrant des architectures hautement fiables et optimisées en termes de coûts, ainsi que des logiciels flexibles et faciles à utiliser. .
Examinons plusieurs exemples de cas d'utilisation où les FPGA PolarFire® ou les SoC PolarFire, avec leur système de processeur RISC-V renforcé, jouent un rôle essentiel.
Drones professionnels
Les drones professionnels ont des exigences strictes en matière de sécurité des vols :
- Contrôle et positionnement précis, y compris évitement des collisions
- Fréquences de communication et de contrôle sécurisées
- temps de vol prévisible
Pour réussir sur un marché de drones aussi vaste, les fabricants de drones doivent se différencier en fournissant des fonctionnalités supplémentaires telles que des images haute résolution et l'intelligence artificielle. Les drones nécessitent souvent plusieurs capteurs, le prétraitement ou la fusion des données des capteurs, et le transfert de ces données via une connexion sans fil, ce qui en fait des systèmes complexes.
Le champ d'application est très large et comprend la surveillance de la santé et de la croissance des cultures en agriculture, la détection et le suivi éventuel d'objets dans le domaine policier et militaire, ou encore l'évaluation à distance dans les situations d'urgence pour les pompiers ou la police.
L'électronique de commande de vol doit être capable de gérer le contrôle du moteur et la vitesse du rotor, l'interface avec les capteurs et l'interface avec l'équipement distant, le tout dans un environnement de taille, de poids et de puissance limités.
Le schéma fonctionnel d'un tel système peut ressembler à ceci :
Profitant de l'architecture flexible du FPGA, les moteurs sont contrôlés par des algorithmes de contrôle orientés champ (FOC), dont le contrôle peut être multiplexé dans le domaine temporel grâce aux performances du FPGA. Une IP de contrôle moteur commune contrôle plusieurs moteurs, dont le nombre exact dépend de l'architecture FPGA choisie.
La haute précision du FOC permet un couple constant sur les moteurs, ce qui se traduit par un fonctionnement plus fluide avec moins de vibrations, moins de génération de bruit et, surtout, un temps de vol prolongé d'environ 10 % ou plus par rapport aux contrôleurs de moteur standard utilisant de simples microcontrôleurs.
Des interfaces supplémentaires, telles que des capteurs visuels de lumière, de mouvement ou infrarouges, qui sont utilisées pour prendre en charge des fonctions améliorées telles que la vision par ordinateur nécessitent une attention particulière et ont historiquement requis des connaissances spécialisées. Le SDK VectorBlox™ et le processeur de matrice IP de Microchip aident les développeurs FPGA novices à déployer des algorithmes de réseau neuronal complexes sur la structure FPGA. Cela permet une classification ou une détection avec une très faible empreinte énergétique. Les réseaux de neurones exécutés sur cet accélérateur IP sont conçus à l'aide de cadres standard tels que TensorFlow ou Caffe.
Tous les résultats sont stockés dans la mémoire locale de la carte, puis transférés vers un module sans fil sur la carte. Celui-ci communique avec l'opérateur, où les données collectées sont reçues pour stockage et utilisation ultérieure. Les meilleures fonctionnalités de sécurité des appareils PolarFire protègent à la fois les données transférées et le drone lui-même contre tout accès non autorisé.
Avec une architecture de drone complexe qui nécessite plusieurs domaines d'application - contrôle moteur, contrôle de vol et imagerie - l'utilisation d'un FPGA offre l'avantage d'avoir des «tâches» individuelles exécutées en parallèle.
Les systèmes de drones professionnels doivent souvent fonctionner avec un budget de puissance très serré de 5 watts ou moins. En utilisant un FPGA PolarFire pour piloter plusieurs applications, une consommation électrique inférieure à 1,5 W est attendue pour le FPGA, y compris le fonctionnement du réseau neuronal.
Ultrasons portables
En raison de la tendance à la miniaturisation, associée à des ressources informatiques de pointe à faible consommation et à des considérations thermiques améliorées, l'innovation dans l'imagerie médicale à faible consommation se développe à pas de géant. En tête, les diagnostics au point de service, tels que les échographes portables, qui consistent en un transducteur portable qui lit et envoie des données échographiques à un smartphone standard. Les transmissions peuvent se faire avec un simple câble ou sans fil. Ces systèmes révolutionnent et démocratisent les capacités de diagnostic du personnel EMS sur les scènes d'accident, dans les régions moins développées, et aident les professionnels de la santé à prendre des décisions de diagnostic en dehors des milieux hospitaliers traditionnels.
Le schéma fonctionnel suivant montre un exemple d'implémentation :
L'utilisation d'un FPGA PolarFire dans un dispositif médical portable offre la puissance totale du système la plus faible, permettant un contrôle thermique efficace et gardant la tête du transducteur au frais, permettant un contact direct avec la peau. Ces efficacités prolongent la durée d'exécution dans un boîtier compact de seulement 11x11 mm² qui peut accueillir de très petits boîtiers de sonde.
Convertisseurs vidéo
Un autre domaine où la flexibilité, associée à une faible consommation d'énergie et à un faible encombrement physique, est essentiel est celui des convertisseurs vidéo. Les caméras professionnelles hautes performances offrent souvent une seule interface de données, ce qui limite la sélection d'équipements de post-traitement prenant en charge cette interface spécifique. Le fait qu'un convertisseur vidéo offre une passerelle vers diverses normes d'interface permet une flexibilité dans le choix de l'équipement de post-traitement. Les performances ne sont pas affectées car plusieurs protocoles sont pris en charge avec de nombreux émetteurs-récepteurs multi-gigabit et des vitesses de ligne optimisées allant jusqu'à 12,7 Gbit/s, prenant en charge les protocoles HDMI, CoaXPress, SDI et Ethernet. Les facteurs de forme des convertisseurs sont compacts, car aucun dissipateur thermique ou ventilateur n'est requis. On estime que les convertisseurs vidéo construits avec la technologie PolarFire nécessitent moins de deux watts de consommation d'énergie.
Voici un exemple de mise en page de convertisseur vidéo :
Automatisation industrielle
Deux cas d'utilisation différents sont utilisés à titre d'exemple, les caméras industrielles et les automates programmables.
Les caméras industrielles nécessitent souvent des fréquences d'images élevées, une haute résolution et un petit facteur de forme, ce qui rend la conception thermique souvent difficile. Grâce à l'optimisation de la conception du boîtier et aux caractéristiques thermiques efficaces, ce défi peut être facilement relevé. La faible consommation d'énergie statique permet à l'appareil de rester froid, ce qui améliore les considérations de conception de la gestion thermique. La résolution n'est pas compromise, les données d'image jusqu'à 4K avec 60 images/seconde peuvent être facilement gérées avec les interfaces de récepteur MIPI CSI-2 qui prennent en charge nativement jusqu'à 1,5 Gbps/ligne.
Bien qu'ils soient physiquement plus grands en tant que système complet, les automates ont les mêmes limitations d'espace et de puissance que les caméras.
Ces systèmes en rack sont modulaires, ce qui permet aux utilisateurs finaux de personnaliser leur système et d'offrir des largeurs de châssis standard. Le débit est toujours une nécessité pour prendre en charge l'Ethernet industriel, les interfaces homme-machine, les commandes/pilotes de moteur et les systèmes d'exploitation en temps réel (RTOS).
Le graphique ci-dessous montre un schéma fonctionnel générique d'un tel système, mappé sur le SoC PolarFire, le premier FPGA-SoC construit sur un processeur RISC-V quadricœur. Le SoC PolarFire prend en charge le multitraitement asymétrique (AMP) de manière native, ainsi qu'une allocation fixe et granulaire des voies de cache aux processeurs individuels. Cette prise en charge AMP native permet le multitâche. Par exemple, un seul cœur de processeur peut être alloué à une pile de protocoles Ethernet industriel, tandis qu'un second cœur peut exécuter un système d'exploitation Linux. Le cache correspondant est fixe et Linux est séparé des autres ressources matérielles. De plus, les deux autres cœurs disponibles peuvent être utilisés pour gérer les algorithmes nécessaires au contrôle du moteur ou d'un onduleur.
Une fois de plus, la faible consommation d'énergie joue un rôle important dans le maintien à un niveau bas de la température de l'électronique à l'intérieur des modules lames, même dans des environnements thermiques difficiles de 60 °C et plus.
Pour en savoir plus sur l'importance de la faible consommation d'énergie dans les systèmes alimentés par câble, consultez l'article suivant, hébergé sur les blogs de Microchip :
L'automatisation industrielle couvre un large éventail d'applications et d'exigences. Parmi les produits industriels, la nécessité d'offrir un support et une disponibilité des appareils pendant 20 ans ou plus est courante. Microchip est entièrement dédié à cette exigence de longévité et la soutient avec un solide programme "Supply Assurance".
Automobile
De nombreuses applications différentes sur le marché automobile actuel nécessitent la flexibilité des FPGA, des capteurs tels que le lidar, les radars d'imagerie ou les caméras, à des fonctions plus cachées telles que la commande étroitement synchronisée et très précise de moteurs électriques via des contrôleurs haute tension. . Une application qui émerge fortement est l'utilisation de caméras pour avertir des collisions. Ces caméras permettent la détection de situations dangereuses avec un retour au conducteur ou également avec un contrôle direct dans le véhicule comme l'activation automatique des freins.
Ces systèmes ont de fortes exigences en matière de sécurité fonctionnelle, de sécurité et de traitement à faible latence, combinés à la capacité de fonctionner de manière fiable dans des environnements à haute température causés par la chaleur du moteur et la lumière du soleil.
Le schéma suivant montre la configuration d'un système utilisant le PolarFire MPF050T, les éléments de sécurité sont dessinés en jaune, la sécurité en vert :
La mémoire embarquée sécurisée non volatile (sNVM) permet le stockage des clés de flotte pour l'authentification dans le module de caméra au sein du réseau du véhicule. Les trames d'image reçues sont traitées en mode streaming en utilisant la nature parallèle du FPGA et sont en outre fournies avec des informations de sécurité supplémentaires telles que le nombre de trames et le CRC pour une protection de bout en bout de la communication. Le traitement en flux des données d'image évite le danger d'utiliser des "images figées" de la mémoire et permet un traitement avec un temps d'exécution fixe, ce qui se traduit directement par plus de temps de réaction pour le système. En fonction des exigences exactes de l'OEM, le FPGA offre également la flexibilité nécessaire pour prendre en charge l'interfaçage avec divers sérialiseurs propriétaires établis.
Les facteurs communs à toutes les applications, bien qu'ils ne soient pas détaillés ci-dessus, sont les moteurs commerciaux de la mise sur le marché d'un produit performant. Pour réduire les risques, atteindre le client avant la concurrence et optimiser le coût du système tout en récoltant des avantages, vous devez examiner attentivement l'architecture de votre système et votre partenaire de livraison. Le large portefeuille de produits de Microchip offre un partenariat de solution système totale. Tirez parti des composants clés et des solutions de conception de référence pour réduire les risques de développement et le nombre de composants. Les concepteurs peuvent également gagner du temps et de l'argent, car les solutions sont validées pour la transversalité et offrent des garanties dans de nombreux cas.
Pour plus d'informations, visitez le site https://www.microchip.com/en-us/products/fpgas-and-plds/fpgas/polarfire-fpgas
