平衡嵌入式系統的功率和性能

小型化是當今大多數嵌入式系統的一個(gè)關(guān)鍵特性。每個(gè)人都希望口袋里有更多的計算能力。大多數基于 FPGA 的嵌入式系統也遵循同樣的趨勢。消費者想要更小的工業(yè)和專(zhuān)業(yè)相機、醫療手持設備、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——最大的挑戰可以濃縮為一個(gè)術(shù)語(yǔ)，即“節能性能”。通常，如果系統的性能提高，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，散熱是設計人員每天都要處理的一個(gè)令人頭疼的系統問(wèn)題。冷卻模塊使其能夠在熱受限環(huán)境下運行通常成為性能瓶頸。

這篇博文重點(diǎn)介紹了現場(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、外形尺寸的相機可用于許多不同的事情，例如運行 AI 算法以通過(guò)無(wú)人機圖像指導農民、在零售連鎖店中提供視頻分析、計算運輸中的乘客數量以及讀取收費站的車(chē)牌。在醫療領(lǐng)域，便攜式超聲波機器正在使現場(chǎng)護理服務(wù)大眾化。內窺鏡和手術(shù)輔助智能眼鏡正在為醫生提供比以往任何時(shí)候都更高分辨率的圖像。旨在保護邊界免受入侵者侵害的基于熱成像的監視系統也變得更加智能。一般部署在偏遠地區，

即使是業(yè)余內容創(chuàng )作者也推動(dòng)了對基于 FPGA 的流視頻轉換器的需求，因為他們需要在 HDMI、SDI、USB 或 PCIe 等任何格式之間轉換 4K 視頻流的選項。

工業(yè)自動(dòng)化還受益于基于 FPGA 的架構的靈活性和 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可確保駕駛員和乘客在車(chē)內的安全。

FPGA 架構已經(jīng)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。從性能和功耗之間的選擇，到僅用作昂貴 ASIC 的原型設計平臺，FPGA 現在被認為是主流，提供高度可靠和成本優(yōu)化的架構，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及其強化的 RISC-V 處理器系統發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

1）專(zhuān)業(yè)無(wú)人機

專(zhuān)業(yè)無(wú)人機對飛行安全有著(zhù)嚴格的要求：

• 精確控制和定位，包括防撞

• 安全通信和控制頻率

• 可預測的飛行時(shí)間

為了在大型無(wú)人機市場(chǎng)取得成功，無(wú)人機制造商需要通過(guò)提供高分辨率成像和人工智能等附加功能來(lái)實(shí)現差異化。無(wú)人機通常需要多個(gè)傳感器，對傳感器數據進(jìn)行預處理或融合，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接傳輸數據，這使它們成為復雜的系統。

應用范圍非常廣泛，包括在農業(yè)中監測作物健康和生長(cháng)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程判斷中進(jìn)行物體檢測和潛在跟蹤。

飛行控制電子設備必須能夠處理電機控制和旋翼速度，與傳感器交互并與遠程設備連接，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)系統的框圖可能類(lèi)似于以下內容：

利用靈活的 FPGA 架構，電機由磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 算法驅動(dòng)，由于 FPGA 的性能，控制可以在時(shí)域多路復用。多個(gè)電機由一個(gè)通用電機控制 IP 控制，電機的確切數量取決于所選的 FPGA 架構。

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

用于支持機器視覺(jué)等增強功能的視覺(jué)光、運動(dòng)或紅外傳感器等附加接口需要仔細考慮，并且歷來(lái)需要專(zhuān)業(yè)知識。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 結構中部署復雜的神經(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。在此加速器 IP 上運行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是使用 TensorFlow 或 Caffe 等標準框架設計的。

所有結果都緩沖在本地板載內存中，然后傳輸到板載無(wú)線(xiàn)模塊。這與接收收集的數據以供存儲和進(jìn)一步使用的操作員進(jìn)行通信。PolarFire 設備一流的安全功能可保護傳輸的數據和無(wú)人機本身免受未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)。

由于復雜的無(wú)人機架構需要多個(gè)應用領(lǐng)域、電機控制、飛行控制和成像，使用 FPGA 可以提供并行運行的各個(gè)“任務(wù)”的好處。

專(zhuān)業(yè)無(wú)人機系統通常需要在 5 瓦或更低的緊湊功率預算下運行。使用 PolarFire FPGA 管理多個(gè)應用程序，預計 FPGA 的功耗低于 1.5 W，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的運行。

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算資源和增強的散熱考慮，低功耗醫學(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，例如便攜式超聲設備，包括手持式傳感器、讀取超聲數據并將超聲數據發(fā)送到標準智能手機。傳輸可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電纜或無(wú)線(xiàn)方式進(jìn)行。這些系統正在革新和普及欠發(fā)達地區事故現場(chǎng)急救醫療人員的診斷能力，并幫助醫療專(zhuān)業(yè)人員在傳統醫院環(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：

在手持式醫療設備中利用 PolarFire FPGA 可提供最低的總系統功率，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(cháng)了運行時(shí)間，支持非常小的探頭外殼。

3) 視頻轉換器

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

這是一個(gè)視頻轉換器設計示例：

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)相機和可編程邏輯控制器 (PLC)。

工業(yè)相機通常需要高幀率、高分辨率和小尺寸，這使得熱設計成為一項挑戰。得益于優(yōu)化的封裝布局和高效的熱特性，可以輕松應對這一挑戰。低靜態(tài)功耗允許設備保持低溫，增強熱管理設計考慮。分辨率不受影響，高達 4K 60 幀/秒的圖像數據可以通過(guò) MIPI CSI-2 接收器接口輕松處理，本機支持高達 1.5 Gbps/線(xiàn)。

盡管它作為一個(gè)完整的系統在物理上更大，但 PLC 與相機一樣受到空間和功率的限制。

這些基于機架的系統是模塊化的，允許最終用戶(hù)定制他們的系統并提供標準機箱寬度。處理性能仍然是支持工業(yè)以太網(wǎng)、人機界面、電機/驅動(dòng)器控制和實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 的必要條件。

下圖顯示了此類(lèi)系統的通用框圖，映射到 PolarFire SoC，這是第一個(gè)基于四核 RISC-V 處理器構建的 FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非對稱(chēng)多處理 (AMP)，以及固定的細粒度緩存路分配給各個(gè)處理器。這種本機 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)處理器內核，而第二個(gè)內核可以運行 Linux 操作系統。相應的緩存是固定的，Linux正在與其他硬件資源分離。此外，其他兩個(gè)可用內核可用于處理電機控制或逆變器所需的算法。

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

工業(yè)自動(dòng)化涵蓋廣泛的應用和要求。工業(yè)產(chǎn)品中的共同點(diǎn)是需要為設備提供 20 年或更長(cháng)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)強大的“供應保證”計劃提供支持。

5) 汽車(chē)

當今汽車(chē)市場(chǎng)中的許多不同應用都需要 FPGA 的靈活性，從激光雷達、成像雷達或攝像頭等傳感器到更隱蔽的功能，例如通過(guò)高壓驅動(dòng)器高精度和緊密同步地驅動(dòng)電動(dòng)機。一個(gè)新興的應用是使用攝像頭進(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)檢測危險情況。這些系統對功能安全性、安全性和低延遲處理以及在發(fā)動(dòng)機熱量和陽(yáng)光引起的高溫環(huán)境中可靠運行的能力有著(zhù)強烈的要求。

下圖顯示了使用 PolarFire MPF050T 的系統設置，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器 (sNVM) 允許存儲車(chē)隊密鑰，以便在車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )的攝像頭模塊內進(jìn)行身份驗證。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，如幀計數和 CRC，以實(shí)現通信的端到端保護。圖像數據的流式處理避免了使用內存中“凍結圖像”的危險，并允許以固定的執行時(shí)間進(jìn)行處理，直接轉化為更多的系統反應時(shí)間。根據確切的 OEM 要求，FPGA 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)驅動(dòng)因素，但上面沒(méi)有詳細說(shuō)明。研究如何降低風(fēng)險，同時(shí)領(lǐng)先于您的競爭對手接觸客戶(hù)，優(yōu)化系統成本，同時(shí)將利潤帶到底線(xiàn)，需要仔細考慮您的系統架構和供應合作伙伴。