Achronix：FPGA如何玩轉(zhuǎn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)？

?

隨著互聯(lián)網(wǎng)紅利逐漸消失，物聯(lián)網(wǎng)在整體科技發(fā)展潮流中順勢而行，成為被普遍看好的新一代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。

其中，物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)中的應(yīng)用被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集或控制傳感或控制器以及泛在技術(shù)、移動通信、智能分析等技術(shù)不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)，從而大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是擴(kuò)展到云的機(jī)器對機(jī)器（M2M）的支持。?

目前，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)仍處于早期發(fā)展階段，但是由于其廣闊的應(yīng)用前景和巨大的收益潛力，許多公司和組織都已經(jīng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面進(jìn)行了大量投入。

Achronix 半導(dǎo)體公司高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Alok Sanghavi

Achronix 半導(dǎo)體公司就是其中的一員，Achronix 半導(dǎo)體公司高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Alok Sanghavi 就工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)話題接受了與非網(wǎng)的采訪。Achronix 認(rèn)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是全球經(jīng)濟(jì)的新動力。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅意味著在機(jī)器、工具、自動化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間，甚至還包括在本地數(shù)據(jù)中心或云中運(yùn)行的 ERP 系統(tǒng)等運(yùn)行支持系統(tǒng)之間的通信連接。同時，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在諸如智能工廠、能源生產(chǎn)和管理、商業(yè)和樓宇自動化、智能物流和資產(chǎn)跟蹤、過程自動化和智能農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域，為其添加和重新分配了其中的智能。所以，連接和智能是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)同時包含的兩個特性。

這些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場有一些共同特征。首先是，這些領(lǐng)域的許多標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議尚未確定；其次，人工智能或邊緣計(jì)算等新技術(shù)在這些領(lǐng)域中仍處于早期采用階段；第三，與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相伴而來的新人工智能或邊緣計(jì)算都需要先進(jìn)的硬件加速。

Alok 向與非網(wǎng)記者介紹道，Achronix 認(rèn)為借助其可編程性和靈活性，各種 FPGA 產(chǎn)品將在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)推動的新經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。計(jì)算能力也尤為重要，被應(yīng)用于 ASIC 或 SoC 中的嵌入式 FPGA（eFPGA）的特殊設(shè)計(jì)等資源將為系統(tǒng)增加超級硬件加速，如 Achronix Speedcore Gen 4 嵌入式 FPGA 半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（eFPGA IP）中的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）等特殊設(shè)計(jì)。

因此，Achronix 的戰(zhàn)略是獨(dú)家為客戶提供全新的、最完整的 FPGA 產(chǎn)品組合，包括獨(dú)立的 FPGA 芯片、基于 FPGA 片芯晶粒的 SiP 芯片制造服務(wù)以及嵌入式 FPGA 半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（eFPGA IP），以幫助客戶或其合作伙伴在不顯著改變其算法和開發(fā)環(huán)境的情況下，順利升級其芯片的效率和能力。

Alok 繼續(xù)說道，對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），連接和計(jì)算就像是同一枚硬幣的兩面。在包括無線和有線解決方案在內(nèi)的連接技術(shù)的支持下，邊緣計(jì)算和云計(jì)算將成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要技術(shù)。Achronix 的高性能和高密度 FPGA 芯片、基于 FPGA 晶粒的 SiP 封裝芯片和 eFPGA IP 為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的兩個領(lǐng)域都提供了強(qiáng)有力的支持。

在通信和連接領(lǐng)域，有許多新的標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議不斷涌現(xiàn)，如 5G 正在進(jìn)入工廠車間。因此，需要在包括新興協(xié)議、傳統(tǒng)協(xié)議和私有協(xié)議在內(nèi)的不同協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)之間傳輸和轉(zhuǎn)換連續(xù)的傳感器數(shù)據(jù)。FPGA 在這方面具有歷史優(yōu)勢。隨著新的通信協(xié)議的涌現(xiàn)，F(xiàn)PGA 芯片和帶有 eFPGA IP 的 SoC / ASIC 將繼續(xù)服務(wù)于這些市場。

在另一個領(lǐng)域，邊緣計(jì)算和相關(guān)的人工智能技術(shù)越來越多地被部署在不同的網(wǎng)絡(luò)中。如工廠中人工智能的應(yīng)用范圍已從基于機(jī)器視覺的零件品質(zhì)檢測擴(kuò)展到傳感器融合和預(yù)測性維修 ...... 這些技術(shù)的更廣泛應(yīng)用給傳統(tǒng)的 ASIC 方法帶來了新的挑戰(zhàn)；而且工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣智能需要硬件加速，以實(shí)現(xiàn)低延遲數(shù)據(jù)處理。

因此，新的器件需要具有可重新編程能力，以應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議的演進(jìn)，以及 / 或用于人工智能和其他嵌入式智能的新算法。它們要求在為智能工廠和許多其他應(yīng)用而設(shè)計(jì)的 SoC 中，必須引入新的架構(gòu)性創(chuàng)新，芯片設(shè)計(jì)人員應(yīng)該關(guān)注具有第二層級加速功能的嵌入式 FPGA（eFPGA） IP 產(chǎn)品，如在 Achronix 的 Speedcore Gen 4 eFPGA IP 中的機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP），它可將人工智能 / 機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)處理的性能提升 300%。

?

邊緣計(jì)算中的 FPGA

對于邊緣計(jì)算在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的具體作用，Alok 補(bǔ)充道，對于很多行業(yè)而言，邊緣計(jì)算是一個非常重要的趨勢。因此包括工廠所有者、設(shè)備制造商、系統(tǒng)集成商、軟件供應(yīng)商以及與之相關(guān)的芯片設(shè)計(jì)師這樣的所有利益相關(guān)者必須對其硬件加速基礎(chǔ)架構(gòu)抱有遠(yuǎn)見。他們應(yīng)該選擇一種具有靈活性和可擴(kuò)展性的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)，并且能夠從標(biāo)準(zhǔn)器件遷移或演進(jìn)到最終針對類別應(yīng)用的 SoC，而無需對其邊緣計(jì)算解決方案進(jìn)行架構(gòu)性的更改。Achronix 為邊緣計(jì)算提供了一整套基于 FPGA 的完整解決方案。

例如，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供商可以一開始選擇 Achronix 的獨(dú)立 FPGA 芯片來開發(fā)算法并快速啟動。之后，他們可以從 Achronix 獲得 FPGA 芯片晶粒和系統(tǒng)級封裝（SiP）服務(wù)，用于制造他們自己的 SiP 多晶粒芯片，其中的 FPGA 器件直接連接到處理器和 / 或其他器件上，從而可以獲得更高的性能。當(dāng)帶有人工智能功能的設(shè)備的需求量越來越大，并且它們需要更多計(jì)算能力來支持一組智能工廠功能時，他們可以用 Achronix Speedcore Gen 4 eFPGA 半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（ IP）來開發(fā)一款系統(tǒng)級芯片（SoC），從而可以更加直接面向應(yīng)用獲得最高的性價比。

在基于 Gen4 架構(gòu)的 Speedcore eFPGA IP 中，針對人工智能 / 機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）的新型機(jī)器學(xué)習(xí)處理器（MLP）模塊除了具有 eFPGA 的性價比和更高帶寬之外，還是一個完整的 AI/ML 計(jì)算引擎。每個 MLP 都包括一個循環(huán)寄存器文件，該文件利用時間局部性來重用存儲 / 緩存的權(quán)重或數(shù)據(jù)，從而通過顯著減少各種計(jì)算的數(shù)據(jù)移動來提高性能。MLP 與其相鄰的 MLP 和更大的內(nèi)存單元緊密耦合，以最大限度地提高處理性能，并以最低的功率配置提供每秒最多的運(yùn)算次數(shù)。MLP 支持定點(diǎn)和浮點(diǎn)格式（Bfloat16；16 位，半精度；和塊浮點(diǎn)數(shù)）。用戶可以根據(jù)每個應(yīng)用的要求，動態(tài)地選擇最佳數(shù)據(jù)精度，從而在精度和性能之間進(jìn)行權(quán)衡。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場，數(shù)據(jù)成為其中最關(guān)鍵的部分，傳感器作為前端的數(shù)據(jù)收集和處理器件自然也愈發(fā)重要，傳感器融合逐漸成為大勢所趨。

對此，Alok 解釋道，盡管 Achronix 不提供任何傳感器產(chǎn)品，但 Achronix 在業(yè)界最完整的全系列 FPGA 產(chǎn)品組合可以支持傳感器融合和相關(guān)數(shù)據(jù)通信的需求。例如，在當(dāng)今的工廠中，由于精度的不斷提高而對精密零件的光學(xué)檢測的需求變得越來越普遍。對人類工作人員說，這是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性同時又是重復(fù)性的任務(wù)。因此光學(xué)檢測正越來越多地由智能機(jī)器處理，而這些智能機(jī)器需要各種 FPGA 產(chǎn)品，包括獨(dú)立的 FPGA 芯片、基于 FPGA 晶粒的 SiP 封裝芯片和 eFPGA IP。

對 FPGA 產(chǎn)品尤其是 eFPGA IP 的需求有兩個推動力。一方面，某些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應(yīng)用中的傳感器融合可能需要優(yōu)化的系統(tǒng)架構(gòu)，這是因?yàn)檫@時的傳感器融合需要低功耗和更高的性能。集成了 eFPGA 的 SoC 或 ASIC 將具有極好的功率效率、可編程性以及單位成本。另一方面，當(dāng)來自傳感器的數(shù)據(jù)較大時，如機(jī)器視覺和激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，且算法又在不斷改進(jìn)時，前端數(shù)據(jù)處理或傳感器融合確實(shí)需要 FPGA 器件或者 eFPGA 邏輯陣列來加速處理過程。

在當(dāng)今和未來，數(shù)據(jù)安全一直是企業(yè)和用戶最關(guān)心和敏感的問題，安全性和安全防護(hù)能力是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的重要方面。因?yàn)槿魏稳肭只驍?shù)據(jù)泄漏都可能造成巨大損失。因此有必要從整個生命周期的角度來考慮安全規(guī)劃，特別是對于智能工廠中的設(shè)備這樣的固定資產(chǎn)。設(shè)備供應(yīng)商必須能夠在不同客戶的工廠中支持其所采用的任何定制或特有的安全算法，即使他們都計(jì)劃使用相同的制造設(shè)備產(chǎn)品。在設(shè)備的整個生命周期內(nèi)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的加密、認(rèn)證或其他信息安全手段都應(yīng)具有一定程度的靈活性和可擴(kuò)展性。

基于這些原因，像 FPGA 這樣的可重編程器件在信息安全方面有著悠久的應(yīng)用歷史。Achronix 在該領(lǐng)域支持過許多用戶，涵蓋不同級別的安全性。因此，對于為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā) SoC 的芯片供應(yīng)商，他們可以采用像 Speedcore 這樣的 eFPGA IP，并使用其中部分 ASIC 資源來開發(fā)具有靈活性和可擴(kuò)展性的安全模塊。此外，Speedcore eFPGA IP 能夠提供自定義塊，以加速安全算法，從而實(shí)現(xiàn)硬件速度級別的安全性。

采訪的最后，對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前的生態(tài)建設(shè)問題以及 Achronix 所做的努力，Alok 認(rèn)為，“由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）生態(tài)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展，因此解決方案提供商應(yīng)選擇一種能夠在不同的發(fā)展階段向前演進(jìn)的方法。

開發(fā)人員可以一開始選擇 Achronix 的獨(dú)立 FPGA 芯片來開發(fā)算法并快速啟動項(xiàng)目。之后，他們可以從 Achronix 獲得 FPGA 芯片晶粒和系統(tǒng)級封裝（SiP）服務(wù)，用于制造他們自己的 SiP 多晶粒芯片，其中 FPGA 器件直接連接到處理器和 / 或其他器件上，可實(shí)現(xiàn)更好的內(nèi)部連接和性能。當(dāng)帶有邊緣計(jì)算功能的設(shè)備的需求量越來越大，并且它們需要更多計(jì)算能力用于一組工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能時，他們可以用 Achronix Speedcore Gen 4 eFPGA 半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán)（IP）來開發(fā)一款系統(tǒng)級芯片（SoC），以滿足當(dāng)今和未來的各種需求”。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！