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關鍵特性。每個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和專業相機、醫療手持設備、更小的可編程邏輯控制器 (PLC) 和汽車中的駕駛員輔助模塊。小型化還帶來了額外的挑戰——最大的挑戰可以濃縮為一個術語，即“節能性能”。通常，如果系統的性能提高，其功耗也會隨之提高，這反過來又會增加散熱。在較小的模塊中，散熱是設計人員每天都要處理的一個令人頭疼的系統問題。冷卻模塊使其能夠在熱受限環境下運行通常成為性能瓶頸。

這篇博文重點介紹了現場可編程門陣列 (FPGA) 如何通過在每個行業的許多新的大批量應用中提供高能效性能來推動下一代技術革命。小型、外形尺寸的相機可用于許多不同的事情，例如運行 AI 算法以通過無人機圖像指導農民、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牌。在醫療領域，便攜式超聲波機器正在使現場護理服務大眾化。內窺鏡和手術輔助智能眼鏡正在為醫生提供比以往任何時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，

即使是業余內容創作者也推動了對基于 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。

工業自動化還受益于基于 FPGA 的架構的靈活性和 Microchip FPGA 超過 20 年的使用壽命。如今，汽車中的駕駛員輔助系統可確保駕駛員和乘客在車內的安全。

FPGA 架構已經取得了長足的進步。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 處理器系統發揮著至關重要的作用。

1）專業無人機

專業無人機對飛行安全有著嚴格的要求：

• 精確控制和定位，包括防撞

• 安全通信和控制頻率

• 可預測的飛行時間

為了在大型無人機市場取得成功，無人機制造商需要通過提供高分辨率成像和人工智能等附加功能來實現差異化。無人機通常需要多個傳感器，對傳感器數據進行預處理或融合，并通過無線連接傳輸數據，這使它們成為復雜的系統。

應用范圍非常廣泛，包括在農業中監測作物健康和生長狀態，在警務、軍事或消防部門或警察緊急情況下的遠程判斷中進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境中進行。

此類系統的框圖可能類似于以下內容：

利用靈活的 FPGA 架構，電機由磁場定向控制 (FOC) 算法驅動，由于 FPGA 的性能，控制可以在時域多路復用。多個電機由一個通用電機控制 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，振動更小，噪音更少，最重要的是，與使用簡單微控制器的標準電機控制器相比，飛行時間延長了大約 10% 或更多。

用于支持機器視覺等增強功能的視覺光、運動或紅外傳感器等附加接口需要仔細考慮，并且歷來需要專業知識。Microchip 的 VectorBlox? SDK和矩陣處理器 IP可幫助新手 FPGA 開發人員在 FPGA 結構中部署復雜的神經網絡算法。這允許以非常低的功耗進行分類或檢測。在此加速器 IP 上運行的神經網絡是使用 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，然后傳輸到板載無線模塊。這與接收收集的數據以供存儲和進一步使用的操作員進行通信。PolarFire 設備一流的安全功能可保護傳輸的數據和無人機本身免受未經授權的訪問。

由于復雜的無人機架構需要多個應用領域、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“任務”的好處。

專業無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 管理多個應用程序，預計 FPGA 的功耗低于 1.5 W，包括神經網絡的運行。

2) 便攜式超聲波

由于小型化的推動，加上高能效的邊緣計算資源和增強的散熱考慮，低功耗醫學成像創新正在突飛猛進。引領潮流的是即時診斷，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送到標準智能手機。傳輸可以通過簡單的電纜或無線方式進行。這些系統正在革新和普及欠發達地區事故現場急救醫療人員的診斷能力，并幫助醫療專業人員在傳統醫院環境之外做出診斷決策。

下面的框圖顯示了一個示例實現：

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了運行時間，支持非常小的探頭外殼。

3) 視頻轉換器

另一個需要靈活性、低功耗和小物理尺寸的領域是視頻轉換器領域。高性能專業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。性能不會受到影響，因為許多千兆位收發器支持多協議，優化線路速率高達 12.7 Gbps，支持 HDMI、CoaXPress?、SDI 和以太網協議。轉換器外形緊湊，不再需要散熱器和風扇?；?PolarFire 技術的視頻轉換器估計需要不到兩瓦的功耗。

這是一個視頻轉換器設計示例：

4) 工業自動化

使用兩個不同的用例作為示例，工業相機和可編程邏輯控制器 (PLC)。

工業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 MIPI CSI-2 接收器接口輕松處理，本機支持高達 1.5 Gbps/線。

盡管它作為一個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以太網、人機界面、電機/驅動器控制和實時操作系統 (RTOS) 的必要條件。

下圖顯示了此類系統的通用框圖，映射到 PolarFire SoC，這是第一個基于四核 RISC-V 處理器構建的 FPGA-SoC。PolarFire SoC 原生支持非對稱多處理 (AMP)，以及固定的細粒度緩存路分配給各個處理器。這種本機 AMP 支持允許進行多任務處理。例如，可以為工業以太網協議棧分配一個處理器內核，而第二個內核可以運行 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揮著重要作用，即使在 60°C 環境溫度等具有挑戰性的熱環境中也是如此。

工業自動化涵蓋廣泛的應用和要求。工業產品中的共同點是需要為設備提供 20 年或更長時間的支持和可用性。Microchip 完全致力于滿足這種使用壽命要求，并通過強大的“供應保證”計劃提供支持。

5) 汽車

當今汽車市場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，例如通過高壓驅動器高精度和緊密同步地驅動電動機。一個新興的應用是使用攝像頭進行碰撞警告。這些攝像頭可以通過向駕駛員反饋或直接控制車輛（如自動啟動剎車）來檢測危險情況。這些系統對功能安全性、安全性和低延遲處理以及在發動機熱量和陽光引起的高溫環境中可靠運行的能力有著強烈的要求。

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) 允許存儲車隊密鑰，以便在車輛網絡的攝像頭模塊內進行身份驗證。接收到的圖像幀使用 FPGA 的并行特性以流模式進行處理，并額外提供額外的安全信息，如幀計數和 CRC，以實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間進行處理，直接轉化為更多的系統反應時間。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有串行器的接口。

所有應用程序的共同點是將成功的產品推向市場的業務驅動因素，但上面沒有詳細說明。研究如何降低風險，同時領先于您的競爭對手接觸客戶，優化系統成本，同時將利潤帶到底線，需要仔細考慮您的系統架構和供應合作伙伴。