Microchip推出針對智能邊緣設計的定制PolarFire FPGA和SoC解決方案堆棧，以加快開發速度，同時推動FPGA的采用。

為了加快智能邊緣設計，Microchip Technology Inc.在其中端PolarFire FPGA和片上系統(SoC)中增加了10個技術和應用特定的解決方案堆棧。這些解決方案集合面向工業邊緣、智能嵌入式視覺和邊緣通信，包括 IP、參考設計、開發套件、應用說明和演示指南。

多年來，FPGA制造商面臨的一件事是FPGA編程的復雜性，這阻礙了許多應用的采用。盡管FPGA的主要優勢在于提供AI算法加速，定制設計和重新編程以滿足新需求的能力。

成本也是一個問題，但在某些特定應用中，FPGA 比其他處理器(如微控制器 (MCU)、微處理器 (MPU) 和圖形處理器 (GPU))具有優勢。然而，多年來，像Microchip這樣的FPGA制造商在降低成本方面取得了進展，使FPGA更節能，更小。

Microchip的新解決方案堆棧和軟件開發套件(SDK)正在解決這些問題，使FPGA設計變得更加容易，同時使計算機工程師和FPGA設計人員之間能夠更好地協作。

為什么Microchip要為智能邊緣提供這些量身定制的設計?其中一個重要原因是需求，當然，該公司希望成為智能邊緣的領導者。另一個原因是推動FPGA的采用。

“作為一種技術，我們需要更加平易近人，這就是我們提供解決方案堆棧的原因，”Microchip的FPGA業務部門戰略副總裁Shakeel Peera說。

Microchip聲稱其FPGA業務同比增長32%，這得益于其PolarFire中端旗艦FPGA平臺。

Peera表示，PolarFire是該公司35年歷史上增長最快的FPGA平臺(1985年作為Actel開始，后來于2010年被Microsemi收購，2018年被Microchip收購)。現在已經是第五個年頭了，PolarFire已經增長了90%。

Peera表示，推動這一增長的是智能邊緣，Microchip的前20名PolarFire客戶中有65%在這個領域。智能邊緣增長跨越各行各業，包括工業邊緣、5G/數據網絡、物聯網中的 AI/ML、醫學成像診斷、自動駕駛汽車、軍事/航空航天和空間計算。

FPGA 因其靈活性而非常適合智能邊緣應用。這些應用程序高度專業化，具有不同的架構和不斷發展的算法。

Peera說，這些應用程序是由在邊緣生成數據和處理數據的需求驅動的，而不是在云和數據中心進行。

他補充說，在過去十年左右以及最近發生的事情是，大部分處理將在邊緣設備上本地完成。

引用的一個例子是高級駕駛輔助系統(ADAS)，它需要低延遲。皮拉說，如果不對汽車本身進行處理，它就無法工作。“它必須是天生的低延遲，因此處理必須在本地完成，并且必須在本地做出決定。

其他示例包括可實現設備之間低延遲通信的 5G 網絡、工業 4.0+ 或工業自動化、醫學成像和物聯網。

為什么選擇 FPGA 實現智能邊緣?

Peera說，今天的處理元件通常是串行處理單元 - GPU，MCU，MPU或CPU - 并且FPGA并行執行處理，并且比串行處理單元更有效地處理。

AI / ML應用于各種架構 - 面部識別，車牌識別，安全，熱成像等 - FPGA非常擅長支持各種架構，因為它們可以隨著時間的推移重新編程，他補充說。“因此，當有高度專業化的應用需要加速時，FPGA非常擅長。

但是，Peera 也明確表示，工程師有很多選擇，根據他們試圖解決的問題和所需的性能，它將決定他們將使用哪個處理器平臺。

PolarFire FPGA 和 SoC FPGA

Microchip在功率效率方面處于市場領先地位。據該公司稱，PolarFire系列的功率效率是同類FPGA的兩倍，具有最高的可靠性和軍用級安全性，并且是第一款也是唯一一款量產的RISC-V SoC FPGA。PolarFire SoC 器件可創建新的可配置處理功能，面向功耗敏感型智能邊緣應用。

智能邊緣設計有特殊要求。Peera說，邊緣設備通常不是大型系統，而是小型盒狀系統，可以遠程部署在不在中央辦公室的區域。

因此，從一開始，熱約束和最小功率預算就是獨特的需求，他補充說。

Peera表示，與競爭對手相比，Microchip的PolarFire設備可以平均以大約一半的功率執行相同的工作負載，盡管它在30%到70%之間變化。

這與競爭器件的熱效率成本有關。Peera說，從貨幣化的角度來看，為了消除熱量并使系統正常工作，Microchip的研究表明，它的成本約為1.50美元/瓦。

此外，由于漏電流高，熱失控成為一個問題，Peera說。“在某些時候，如果你負擔過重，你的設備就會出現故障，所以你必須非常小心芯片中有多少處理。

Microchip的PolarFire器件由于使用了非易失性(NV)存儲器，因此固有地提供較低的漏電流。“泄漏電流越低，熱失控上限就越低，因此您可以進行更多處理，這與您在單個芯片上進行更多計算而節省了多少美元有關，”Peera說。

他說，NV技術天生具有較低的泄漏，PolarFire FPGA的靜態泄漏電流是其他FPGA供應商使用的易失性SRAM的十分之一。“這給了我們一個競爭無法克服的優勢。

Peera說，安全性也正在成為一個大問題，隨著能夠破解不對稱密碼學的量子計算，這種情況只會變得更糟。

他補充說，兩大問題是知識產權保護和信息保障。“知識產權保護意味著有人不會從你的FPGA竊取你的IP，然后克隆它，數據安全意味著當你的芯片與外界通信時，這些信息從A點傳輸到B點時是有保證的，沒有人入侵它。

“有大量的加密元素可以放入軟件中，但你的設備是否可以被物理篡改并不重要，”Peera補充道。

Microchip的FPGA與美國國防部合作超過30年，內置了安全硬件，包括NIST認證的加密加速器，物理上不可克隆的功能和內置的篡改檢測器。此外，抗量子身份驗證也在路線圖上。

此外，在擁有關鍵基礎設施或高輻射環境的地區，需要零配置故障，Peera說。

他補充說，Microchip的FPGA不受輻射效應的影響，輻射效應正在成為地面系統中的一個問題，例如智能電網，數據存儲，通信基礎設施和航空航天系統以外的安全關鍵應用。

這就是NV內存技術的優勢所在。

高能輻射粒子可以翻轉SRAM位 - 改變SRAM單元的狀態 - 因為電壓方面的編程水平非常低并且可以很容易地翻轉，Peera說，而NV技術是在更高的電壓電平下編程的，并且位不能翻轉。

這些優勢共同轉化為商業市場的軍用和航空級安全性和可靠性。

最重要的是，平臺需要做兩件事，Peera說：“一是擁有具有FPGA信號處理單元或微處理器子系統(MSS)的異構計算架構，所有這些都可供用戶使用并能夠實時計算，因為低延遲在邊緣非常重要。

“我們能夠提供可以進行各種處理的異構計算平臺，無論是具有確定性加速器的操作系統還是用裸機代碼編程的東西，”他補充說。“一切都可以在一個FPGA平臺中作為單片解決方案使用。

除了技術優勢之外，將開放標準RISC-V用于其PolarFire SoC FPGA使Microchip能夠更輕松，更快速地進行創新。

Peera表示，該公司當時冒著很大的風險選擇RISC-V而不是Arm，關于他們是否應該這樣做有很多爭論。

一旦決定遷移到RISC-V，Microchip開發了一種架構，以非常小的外形在單片MSS平臺上提供低功耗，高度靈活的緩存，非對稱處理功能(使用四核64位RISC-V處理器)，實時裸機和RTOS。

使計算機工程師更容易訪問 FPGA

Peera說，FPGA是非常節能的加速器，但要使用它們進行編程和設計，工程師需要對定制硬件有先天的知識。

這意味著您必須是ASIC或FPGA設計人員。

問題在于算法設計人員不是 ASIC 或 FPGA 設計人員;Peera解釋說，他們是計算機工程師，他們學會了用C / C++設計算法，這不支持定制硬件開發。

“那么，如何讓FPGA對計算機工程師來說更容易接近，這是業界正在進行的爭論?人們喜歡FPGA，但他們最終使用GPU，CPU和MCU進行設計，因為他們只需要用C / C++進行設計，他們不需要了解底層定制硬件，這就是FPGA，“他補充道。

因此，Microchip選擇了三個熱門領域——計算機視覺(或智能嵌入式視覺)、工業邊緣(或工業自動化)和邊緣通信，這些領域“對智能邊緣來說是完全神圣不可侵犯的”——以加快開發和設計時間，同時應對一些最大的挑戰，包括能效、安全性、延遲和尺寸。

“這些是智能邊緣的主要殺手級應用，”Peera說。

他補充說，圍繞生成人工智能有很多嗡嗡聲，但它仍處于起步階段。“推動貨幣化的是機器視覺。

Peera說，工業邊緣包括機器人技術、揀選技術和工廠自動化等領域，而支撐所有這些的是邊緣通信，因此所有系統都可以相互通信，包括從光學數據網絡到5G O-RAN的所有內容。

雖然這些解決方案是一個良好的開端，但計算機工程師使用 C/C++ 進行編程。FPGA編程的標準語言是Verilog硬件描述語言(HDL)或VHSIC HDL(VHDL)。

Microchip為FPGA提供了自己的C/C++高級合成，稱為SmartHLS，允許工程師通過處理軟件/硬件分區、編譯MSS和硬件代碼以及編程FPGA來輕松使用其算法進行FPGA設計。好處包括更快的設計周期和更少的代碼行，并且無需完全了解底層硬件。

“學校并沒有為 FPGA 培養大量電氣工程師;我們正在培養更多的計算機工程師，這只是美國生活的事實，“皮拉說。

“所以FPGA設計師是一種罕見的商品，”他補充道。“這里的想法是使計算機工程師和FPGA設計人員之間的協作更加容易。并非所有計算機工程師都會使用FPGA作為事實上的標準，但FPGA擅長某些事情。

Peera 解釋說，這些解決方案的架構使計算機工程師能夠處理 AI/ML 算法，并以他們理解的方式將其移交給 FPGA 設計人員，并補充說，這使得 FPGA 在協作設計環境中變得平易近人。

FPGA提供了一個空白的石板，Peera說。“如果你完成了80%的算法，但需要處理20%的新算法，那么FPGA在這方面非常棒，并且在新興的混沌領域占有一席之地，而今天，它是AI / ML。

解決方案

PolarFire FPGA 智能邊緣解決方案堆棧針對特定技術和垂直市場：智能嵌入式視覺、工業邊緣和邊緣通信。

智能嵌入式視覺堆棧包括 H.264 壓縮、HDMI、串行數字接口和 CoaXpress。它們為傳感器和顯示接口、編碼/解碼、圖像處理、DDR 控制器、傳輸接口和深度學習推理(通過 VectorBlox SDK)提供了多種選項。

嵌入式應用，如增強現實、醫療視覺、監控、熱視覺和虛擬現實，正在推動AI/ML以非常高的分辨率(4K到8K以上)的貨幣化，共同的因素是它們非常小，功耗低，需要熱效率，Peera說。

他解釋說，預制的解決方案堆棧和SDK使嵌入式視覺所需的算法的移植變得非常容易，包括從傳感器后處理到將處理后的圖像分發到顯示器，網絡或機械臂等的所有內容，中間是深度學習推理。

Peera說，這些構建模塊使設計人員更容易開始設計，提供整體系統解決方案，不僅提供FPGA，還提供其底層解決方案堆棧及其周圍的解決方案。

工業邊緣專注于電機控制和開放平臺通信/統一架構(OPC/UA)。邊緣通信面向軟件定義無線電、USXGMII、小型可插拔 (SFP+) 光模塊和 5G O-RAN。

電機控制解決方案由 PolarFire 設備和 SmartFusion 2 經典 FPGA 的 IP 模塊和算法組成;雙軸電機控制套件;使用極火SoC進行非對稱處理;以及軟件、編程和調試，以優化設計。OPC/UA工業邊緣解決方案包括用于智能相機應用的PolarFire SoC視頻套件和控制步進電機的Icicle套件。兩者都在Linux上的OPC / UA服務器上運行。主機Windows PC運行UA Expert，一個Windows OPC客戶端。

OPC / UA是開放式工業總線的一個例子，Peera說。他補充說，這種開放式網絡提供了即插即用多種解決方案的能力 - 遠程連接在一起，利用FPGA靈活的I / O。

邊緣通信解決方案提供了一系列構建塊。其中包括數據聚合/橋接、編碼/解碼、傳輸接口、以太網 MAC 和 DDR 控制器以及光模塊接口。與PolarFire SoC FPGA一起，Microchip提供PoE PD，電源/ LDO，MEMS振蕩器和1G / 10G PHY。

SDK 也是新解決方案的一部分。一個例子是VectorBlox Accelerator SDK，用于PolarFire和PolarFire SoC FPGA的ML推理。據Microchip稱，與中檔SRAM FPGA相比，它的功率效率提高了2×至3×。主要應用包括面部識別和車牌檢測。

擴展的解決方案堆棧是在 6 月份宣布的面向 OPC/UA 和新資源的工業邊緣堆棧之后推出的。未來的解決方案包括 AI/ML/圖像處理、高速連接、安全性和面向計算的軟件設計套件。

Microchip還搶先了解了其第二代PolarFire FPGA，它將再次將電源效率提高一倍，提高4×。它們還將提供確定性和不對稱處理;軍用級防篡改和網絡安全;以及對 SEU 的免疫力。
審核編輯：彭菁