平衡嵌入式系統(tǒng)的功率和性能

小型化是當(dāng)今大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵特性。每個(gè)人都希望口袋里有更多的計(jì)算能力。大多數(shù)基于 FPGA 的嵌入式系統(tǒng)也遵循同樣的趨勢(shì)。消費(fèi)者想要更小的工業(yè)和專(zhuān)業(yè)相機(jī)、醫(yī)療手持設(shè)備、更小的可編程邏輯控制器 (PLC) 和汽車(chē)中的駕駛員輔助模塊。小型化還帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)——最大的挑戰(zhàn)可以濃縮為一個(gè)術(shù)語(yǔ)，即“節(jié)能性能”。通常，如果系統(tǒng)的性能提高，其功耗也會(huì)隨之提高，這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加散熱。在較小的模塊中，散熱是設(shè)計(jì)人員每天都要處理的一個(gè)令人頭疼的系統(tǒng)問(wèn)題。冷卻模塊使其能夠在熱受限環(huán)境下運(yùn)行通常成為性能瓶頸。

這篇博文重點(diǎn)介紹了現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 如何通過(guò)在每個(gè)行業(yè)的許多新的大批量應(yīng)用中提供高能效性能來(lái)推動(dòng)下一代技術(shù)革命。小型、外形尺寸的相機(jī)可用于許多不同的事情，例如運(yùn)行 AI 算法以通過(guò)無(wú)人機(jī)圖像指導(dǎo)農(nóng)民、在零售連鎖店中提供視頻分析、計(jì)算運(yùn)輸中的乘客數(shù)量以及讀取收費(fèi)站的車(chē)牌。在醫(yī)療領(lǐng)域，便攜式超聲波機(jī)器正在使現(xiàn)場(chǎng)護(hù)理服務(wù)大眾化。內(nèi)窺鏡和手術(shù)輔助智能眼鏡正在為醫(yī)生提供比以往任何時(shí)候都更高分辨率的圖像。旨在保護(hù)邊界免受入侵者侵害的基于熱成像的監(jiān)視系統(tǒng)也變得更加智能。一般部署在偏遠(yuǎn)地區(qū)，

即使是業(yè)余內(nèi)容創(chuàng)作者也推動(dòng)了對(duì)基于 FPGA 的流視頻轉(zhuǎn)換器的需求，因?yàn)樗麄冃枰?HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之間轉(zhuǎn)換 4K 視頻流的選項(xiàng)。

工業(yè)自動(dòng)化還受益于基于 FPGA 的架構(gòu)的靈活性和 Microchip FPGA 超過(guò) 20 年的使用壽命。如今，汽車(chē)中的駕駛員輔助系統(tǒng)可確保駕駛員和乘客在車(chē)內(nèi)的安全。

FPGA 架構(gòu)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從性能和功耗之間的選擇，到僅用作昂貴 ASIC 的原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，F(xiàn)PGA 現(xiàn)在被認(rèn)為是主流，提供高度可靠和成本優(yōu)化的架構(gòu)，以及靈活且易于使用的軟件。

讓我們看一下各種示例用例，在這些用例中，PolarFire? FPGA或PolarFire SoC及其強(qiáng)化的 RISC-V 處理器系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

1）專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)

專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)對(duì)飛行安全有著嚴(yán)格的要求：

• 精確控制和定位，包括防撞

• 安全通信和控制頻率

• 可預(yù)測(cè)的飛行時(shí)間

為了在大型無(wú)人機(jī)市場(chǎng)取得成功，無(wú)人機(jī)制造商需要通過(guò)提供高分辨率成像和人工智能等附加功能來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化。無(wú)人機(jī)通常需要多個(gè)傳感器，對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理或融合，并通過(guò)無(wú)線連接傳輸數(shù)據(jù)，這使它們成為復(fù)雜的系統(tǒng)。

應(yīng)用范圍非常廣泛，包括在農(nóng)業(yè)中監(jiān)測(cè)作物健康和生長(zhǎng)狀態(tài)，在警務(wù)、軍事或消防部門(mén)或警察緊急情況下的遠(yuǎn)程判斷中進(jìn)行物體檢測(cè)和潛在跟蹤。

飛行控制電子設(shè)備必須能夠處理電機(jī)控制和旋翼速度，與傳感器交互并與遠(yuǎn)程設(shè)備連接，所有這些都在尺寸、重量和功率受限的環(huán)境中進(jìn)行。

此類(lèi)系統(tǒng)的框圖可能類(lèi)似于以下內(nèi)容：

利用靈活的 FPGA 架構(gòu)，電機(jī)由磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法驅(qū)動(dòng)，由于 FPGA 的性能，控制可以在時(shí)域多路復(fù)用。多個(gè)電機(jī)由一個(gè)通用電機(jī)控制 IP 控制，電機(jī)的確切數(shù)量取決于所選的 FPGA 架構(gòu)。

FOC 的高精度允許電機(jī)上的恒定扭矩，從而使運(yùn)行更平穩(wěn)，振動(dòng)更小，噪音更少，最重要的是，與使用簡(jiǎn)單微控制器的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)控制器相比，飛行時(shí)間延長(zhǎng)了大約 10% 或更多。

用于支持機(jī)器視覺(jué)等增強(qiáng)功能的視覺(jué)光、運(yùn)動(dòng)或紅外傳感器等附加接口需要仔細(xì)考慮，并且歷來(lái)需要專(zhuān)業(yè)知識(shí)。Microchip 的 VectorBlox? SDK和矩陣處理器 IP可幫助新手 FPGA 開(kāi)發(fā)人員在 FPGA 結(jié)構(gòu)中部署復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。這允許以非常低的功耗進(jìn)行分類(lèi)或檢測(cè)。在此加速器 IP 上運(yùn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是使用 TensorFlow 或 Caffe 等標(biāo)準(zhǔn)框架設(shè)計(jì)的。

所有結(jié)果都緩沖在本地板載內(nèi)存中，然后傳輸?shù)桨遢d無(wú)線模塊。這與接收收集的數(shù)據(jù)以供存儲(chǔ)和進(jìn)一步使用的操作員進(jìn)行通信。PolarFire 設(shè)備一流的安全功能可保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)本身免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。

由于復(fù)雜的無(wú)人機(jī)架構(gòu)需要多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域、電機(jī)控制、飛行控制和成像，使用 FPGA 可以提供并行運(yùn)行的各個(gè)“任務(wù)”的好處。

專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)通常需要在 5 瓦或更低的緊湊功率預(yù)算下運(yùn)行。使用 PolarFire FPGA 管理多個(gè)應(yīng)用程序，預(yù)計(jì) FPGA 的功耗低于 1.5 W，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

2) 便攜式超聲波

由于小型化的推動(dòng)，加上高能效的邊緣計(jì)算資源和增強(qiáng)的散熱考慮，低功耗醫(yī)學(xué)成像創(chuàng)新正在突飛猛進(jìn)。引領(lǐng)潮流的是即時(shí)診斷，例如便攜式超聲設(shè)備，包括手持式傳感器、讀取超聲數(shù)據(jù)并將超聲數(shù)據(jù)發(fā)送到標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)。傳輸可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電纜或無(wú)線方式進(jìn)行。這些系統(tǒng)正在革新和普及欠發(fā)達(dá)地區(qū)事故現(xiàn)場(chǎng)急救醫(yī)療人員的診斷能力，并幫助醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員在傳統(tǒng)醫(yī)院環(huán)境之外做出診斷決策。

下面的框圖顯示了一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)：

在手持式醫(yī)療設(shè)備中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的總系統(tǒng)功率，從而產(chǎn)生高效的熱量，并使換能器頭保持涼爽，從而允許直接接觸皮膚。這些效率在僅 11x11 mm2 的緊湊型封裝中延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間，支持非常小的探頭外殼。

3) 視頻轉(zhuǎn)換器

另一個(gè)需要靈活性、低功耗和小物理尺寸的領(lǐng)域是視頻轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域。高性能專(zhuān)業(yè)相機(jī)通常提供單一數(shù)據(jù)接口，限制了支持該特定接口的后處理設(shè)備選擇。視頻轉(zhuǎn)換器為多種接口標(biāo)準(zhǔn)提供了橋梁，可以靈活地選擇后處理設(shè)備。性能不會(huì)受到影響，因?yàn)樵S多千兆位收發(fā)器支持多協(xié)議，優(yōu)化線路速率高達(dá) 12.7 Gbps，支持 HDMI、CoaXPress?、SDI 和以太網(wǎng)協(xié)議。轉(zhuǎn)換器外形緊湊，不再需要散熱器和風(fēng)扇?；?PolarFire 技術(shù)的視頻轉(zhuǎn)換器估計(jì)需要不到兩瓦的功耗。

這是一個(gè)視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)示例：

4) 工業(yè)自動(dòng)化

使用兩個(gè)不同的用例作為示例，工業(yè)相機(jī)和可編程邏輯控制器 (PLC)。

工業(yè)相機(jī)通常需要高幀率、高分辨率和小尺寸，這使得熱設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。得益于優(yōu)化的封裝布局和高效的熱特性，可以輕松應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。低靜態(tài)功耗允許設(shè)備保持低溫，增強(qiáng)熱管理設(shè)計(jì)考慮。分辨率不受影響，高達(dá) 4K 60 幀/秒的圖像數(shù)據(jù)可以通過(guò) MIPI CSI-2 接收器接口輕松處理，本機(jī)支持高達(dá) 1.5 Gbps/線。

盡管它作為一個(gè)完整的系統(tǒng)在物理上更大，但 PLC 與相機(jī)一樣受到空間和功率的限制。

這些基于機(jī)架的系統(tǒng)是模塊化的，允許最終用戶(hù)定制他們的系統(tǒng)并提供標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱寬度。處理性能仍然是支持工業(yè)以太網(wǎng)、人機(jī)界面、電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器控制和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 的必要條件。

下圖顯示了此類(lèi)系統(tǒng)的通用框圖，映射到 PolarFire SoC，這是第一個(gè)基于四核 RISC-V 處理器構(gòu)建的 FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非對(duì)稱(chēng)多處理 (AMP)，以及固定的細(xì)粒度緩存路分配給各個(gè)處理器。這種本機(jī) AMP 支持允許進(jìn)行多任務(wù)處理。例如，可以為工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議棧分配一個(gè)處理器內(nèi)核，而第二個(gè)內(nèi)核可以運(yùn)行 Linux 操作系統(tǒng)。相應(yīng)的緩存是固定的，Linux正在與其他硬件資源分離。此外，其他兩個(gè)可用內(nèi)核可用于處理電機(jī)控制或逆變器所需的算法。

同樣，低功耗在保持刀片模塊內(nèi)部電子元件溫度較低方面發(fā)揮著重要作用，即使在 60°C 環(huán)境溫度等具有挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中也是如此。

工業(yè)自動(dòng)化涵蓋廣泛的應(yīng)用和要求。工業(yè)產(chǎn)品中的共同點(diǎn)是需要為設(shè)備提供 20 年或更長(zhǎng)時(shí)間的支持和可用性。Microchip 完全致力于滿(mǎn)足這種使用壽命要求，并通過(guò)強(qiáng)大的“供應(yīng)保證”計(jì)劃提供支持。

5) 汽車(chē)

當(dāng)今汽車(chē)市場(chǎng)中的許多不同應(yīng)用都需要 FPGA 的靈活性，從激光雷達(dá)、成像雷達(dá)或攝像頭等傳感器到更隱蔽的功能，例如通過(guò)高壓驅(qū)動(dòng)器高精度和緊密同步地驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。一個(gè)新興的應(yīng)用是使用攝像頭進(jìn)行碰撞警告。這些攝像頭可以通過(guò)向駕駛員反饋或直接控制車(chē)輛（如自動(dòng)啟動(dòng)剎車(chē)）來(lái)檢測(cè)危險(xiǎn)情況。這些系統(tǒng)對(duì)功能安全性、安全性和低延遲處理以及在發(fā)動(dòng)機(jī)熱量和陽(yáng)光引起的高溫環(huán)境中可靠運(yùn)行的能力有著強(qiáng)烈的要求。

下圖顯示了使用 PolarFire MPF050T 的系統(tǒng)設(shè)置，安全元素以黃色繪制，安全性以綠色繪制：

集成的安全非易失性存儲(chǔ)器 (sNVM) 允許存儲(chǔ)車(chē)隊(duì)密鑰，以便在車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)的攝像頭模塊內(nèi)進(jìn)行身份驗(yàn)證。接收到的圖像幀使用 FPGA 的并行特性以流模式進(jìn)行處理，并額外提供額外的安全信息，如幀計(jì)數(shù)和 CRC，以實(shí)現(xiàn)通信的端到端保護(hù)。圖像數(shù)據(jù)的流式處理避免了使用內(nèi)存中“凍結(jié)圖像”的危險(xiǎn)，并允許以固定的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行處理，直接轉(zhuǎn)化為更多的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)確切的 OEM 要求，F(xiàn)PGA 還提供所需的靈活性，以支持與各種已建立的專(zhuān)有串行器的接口。

所有應(yīng)用程序的共同點(diǎn)是將成功的產(chǎn)品推向市場(chǎng)的業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)因素，但上面沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。研究如何降低風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)領(lǐng)先于您的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手接觸客戶(hù)，優(yōu)化系統(tǒng)成本，同時(shí)將利潤(rùn)帶到底線，需要仔細(xì)考慮您的系統(tǒng)架構(gòu)和供應(yīng)合作伙伴。