智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣 (Edge)平臺的關(guān)鍵屬性（下）

作者/Chetan Khona 賽靈思公司工業(yè)IoT戰略與商務(wù)經(jīng)理

　　4 軟件定義的硬件

　　“網(wǎng)絡(luò )安全：硬化的和適應未來(lái)威脅的能力”一節中曾提到，硬件卸載獲得的不只是 All Programmable SoC 可編程硬件的支持。實(shí)現整個(gè)愿景需要能優(yōu)化這一技術(shù)的軟件自動(dòng)化功能。像 SDSoC? 開(kāi)發(fā)環(huán)境這樣的工具能讓用戶(hù)編寫(xiě) C/C++/OpenCL 及其它日益增多的語(yǔ)言，將功能的全部或部分分區到可編程硬件或軟件中。SDSoC 開(kāi)發(fā)環(huán)境還能在處理器和可編程硬件間生成數據移動(dòng)引擎和基礎架構。2015 年，SDSoC 工具

　　結合使用高級加密標準 (AES)-256 算法，在將算法部分移到可編程硬件時(shí)，顯示性能提升高達 4 倍提升?！禭cell 軟件刊》中的“使用 SDSoC 加速 AES 加密”一文。

　　該基準測試的重點(diǎn)是探索軟件智能與可編程硬件優(yōu)化的最佳平衡。不過(guò)這個(gè)工具也能將該功能完整地卸載到可編程硬件。與此相似，通過(guò)硬件加速引擎，馬達控制環(huán)路收斂時(shí)間與純軟件實(shí)現方案相比，能將性能提升 30-40 倍。見(jiàn)圖 4。

圖4 SDSoC 設計環(huán)境 設計流程

　　5 邊緣計算：可擴展、低成本與實(shí)時(shí)

　　如同通信和安全，邊緣計算正朝向超多個(gè)方向演進(jìn)。云的計算能力運行在之前無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)的系統所釋放的數據流上，為用戶(hù)提供了前所未有或無(wú)法理解的可執行的洞察力。這就建立起一套可用作新基線(xiàn)的預期或桌面籌碼。正如依靠 GPS 實(shí)時(shí)導航系統會(huì )讓大部分高速公路地圖過(guò)時(shí)，工業(yè)設備的購買(mǎi)者和使用者對來(lái)自他們的 IIoT 系統的反饋有著(zhù)不同的期望。目前在下列三大因素的推動(dòng)下，趨勢是把這些洞察的生成從云端推向邊緣：

　　· 在從邊緣到云端的往返環(huán)路中以盡量快的速度應用洞察

　　· 發(fā)送(在許多情況下)大數量數據到云端的成本

　　· 發(fā)送數據到云端的安全、可靠性和隱私問(wèn)題

　　有些行業(yè)趨勢不應該看得那么絕對。對解決部分此類(lèi)安全和隱私問(wèn)題，即便只是在本地預處理數據，然后把優(yōu)化后的混淆數據發(fā)送到云端，也能帶來(lái)巨大的好處。最簡(jiǎn)單的例子是把低通或平均濾波器應用到負責控制機器的控制器上的時(shí)間序列數據。結果是既減少發(fā)送到云端的數據點(diǎn)數量，也抑制了離群數據。通過(guò)可編程硬件，您能將這些優(yōu)化功能

　　在數據流出機器時(shí)應用到數據上。與使用復雜內存事務(wù)相比，能實(shí)現最高效的數據處理。這是因為內存事務(wù)會(huì )影響根據數據制定任何可能決策的響應時(shí)間。這個(gè)例子可以表達為來(lái)自單個(gè)傳感器的單數據流，但實(shí)際上許多工業(yè)系統是由數百個(gè)乃至數千個(gè)并行數據流組成的。連接的數量放大了問(wèn)題，以及可編程硬件通過(guò)各種傳感器融合技術(shù)和片上分析提供的解的值。

　　在這里描述的示例中，智能嵌入在控制器中，對時(shí)間敏感反饋?lái)椷M(jìn)行本地調整，將時(shí)間關(guān)鍵性較低的數據

　　以壓縮格式推送到云端。這是邊緣和云端相互補充的最好例證。這種對嵌入式智能和邊緣-云端協(xié)作的描述也能適用于邊緣上的機器學(xué)習，這是 IIoT 領(lǐng)域重要性不斷上升的一個(gè)課題。機器學(xué)習 — 其中包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的機器學(xué)習推斷和部署，以及回歸和其它經(jīng)典方法，極其適合可編程硬件構成的高能效、可定制和大規模并行計算架構。出于這個(gè)原因，基于可編程硬件的加速卡在云中得到廣泛使用。同一 All Programmable 技術(shù)可供在邊緣使用，為多傳感器機器學(xué)習應用提供最低時(shí)延、功耗與成本。由于 All Programmable 技術(shù)既能高效支持IT-OT 融合的所有基本方面，同時(shí)又能為新興領(lǐng)域提供一流功能，該技術(shù)單個(gè)器件可以覆蓋最廣泛的 IIoT 應用。比如將馬達控制、機器視覺(jué)、網(wǎng)絡(luò )通信、功能安全、網(wǎng)絡(luò )安全等應用與邊緣分析和機器學(xué)習相結合，是 All Programmable 技術(shù)在 IIoT 中的預期用例。通過(guò)使用附帶支持庫的 SDSoC 開(kāi)發(fā)環(huán)境等工具，用戶(hù)只需占用最小型 All Programmable 器件的一部分資源，就能把大量算法實(shí)現在器件中。見(jiàn)圖 5。

　　圖5 Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+ SoC 的機器學(xué)習推斷流程

　　6 傳統處理器的輔助 FPGA

　　要實(shí)現寬泛的 IT-OT 功能，IIoT 邊緣平臺首選 All Programmable SoC。這些器件可提供前面描述的集成優(yōu)勢，同時(shí)還可降低功耗和成本。在已經(jīng)有之前的架構存在的現實(shí)環(huán)境中，比如說(shuō)存在專(zhuān)門(mén)用于傳統嵌入式處理器的傳統代碼的情況，此時(shí)還有另一個(gè)選擇。在這種情況下，通過(guò)使用稱(chēng)為 FPGA 的純可編程硬件器件，仍可發(fā)揮上文介紹的部分優(yōu)勢。FPGA 作為能與主嵌入式處理器方便接口的輔助器件運行。這些 FPGA 發(fā)揮主嵌入式處理器的協(xié)處理器的作用，提供實(shí)現緊湊的微處理器

　　或微協(xié)處理器(例如賽靈思 MicroBlaze?)的選項。這些軟處理器(用可編程硬件構建)支持多種操作系統和實(shí)時(shí)操作系統。使用這些選項，在傳統系統環(huán)境中也能卸載不斷演進(jìn)的或時(shí)間關(guān)鍵的功能。FPGA 和 SoC 等賽靈思 All Programmable 產(chǎn)品組合不僅能實(shí)現可在更大溫度范圍內使用的生命周期長(cháng)、可用性高的芯片，而且還能夠對整個(gè)或部分器件進(jìn)行重配置，即便在運行中也能如此。同時(shí)在共享封裝兼容的情況下提供多 FPGA 選項，便于采取平臺化措施。雙芯片方法與 All Programmable SoC 相比，處理器與 FPGA 之間缺乏高帶寬。這種高帶寬和單芯片 SoC 內的連接數量，有助于軟硬軟件之間的動(dòng)態(tài)勞動(dòng)分工(即之前的示例的前提條件)，這種特性是雙芯片解決方案無(wú)法媲美的。即便有這些局限性，可編程硬件的價(jià)值也大到足以讓越來(lái)越多的嵌入式處理器在它們的數據集中推廣專(zhuān)用 FPGA 接口(一般根據 PCIe、SPI、QSPI 等標準構建)。

　　7 新工業(yè)時(shí)代針對壽命的軟硬件可編程性

　　采用電氣化工業(yè)控制系統問(wèn)世已有百余年時(shí)間。正如有些人將 IIoT 稱(chēng)為第四次工業(yè)革命一樣，不僅可用的技術(shù)和所需完成的任務(wù)發(fā)生了改變，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展速度也隨著(zhù)變革的速度加快。目前，IT-OT 任務(wù)隨著(zhù)時(shí)間不斷深化和擴展， IIoT 邊緣平臺的構建塊新技術(shù)應運而生，使其基本上能夠很好處理這些任務(wù)。與前二三十年使用的傳統嵌入式架構構建塊相比，Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+器件等 All Programmable SoC 運用軟件和硬件可編程性保持資產(chǎn)長(cháng)期有用。那種針對每個(gè)端點(diǎn)產(chǎn)品使用不同嵌入式處理器，而毫不考慮其連接的是同一云基礎設施的方法，是一種行將失敗的方法，因為 IIoT 系統開(kāi)發(fā)中大約 75% 的成本都與云和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)息息相關(guān)。對系統供應商來(lái)說(shuō)，最重要的是通過(guò)軟件服務(wù)讓他們投入的研發(fā)時(shí)間和資金創(chuàng )造價(jià)值，而不是再開(kāi)發(fā)通信接口、安全基礎架構、控制環(huán)路時(shí)序、數據分析算法等。FPGA 方法為那些必須處理傳統處理器的供應商提供了眾多這種優(yōu)勢。All-Programmable SoC 方法有助于最大化可用選項，是面向工業(yè)系統供應商及其客戶(hù)增加投資回報的關(guān)鍵。

　　8 結論

　　總之，本白皮書(shū)重點(diǎn)介紹賽靈思 All Programmable SoC 和 FPGA 如何通過(guò)以下優(yōu)勢為系統供應商及其客戶(hù)帶來(lái)最大投資回報 (ROI)：

　　· 賽靈思 All Programmable SoC 和 FPGA 的更長(cháng)生命周期它們特有的軟硬件可編程特性相結合結合，既能實(shí)現實(shí)時(shí)的現場(chǎng)更新，又能避免不能遵循 IIoT 新標準和趨勢的風(fēng)險;

　　· 面向系統供應商平臺的擴月多個(gè)賽靈思器件系列的可擴展特性,可在整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)中降低總擁有成本;

　　· 集成來(lái)自 IT 域和 OT 域的多重 IIoT 功能到單個(gè)高靈活性、低時(shí)延、高能效器件中。