Teollisuuden reunan älykäs ohjelmistovaatii enemmän kuin raakalaskentateho

Vuosikymmenien ajan reunan laiteohjelmointi noudatti yksinkertaista hierarkiaa: maksimoida läpi-vienti, sitten hallita tehoa ja lämpötilaa sen ympärillä. Raakalaskenta oli katto, jonka alle kaikki muu rakennettiin. Tämä logiikka oli järkevä, kun reunan laitteet olivat kiinteitä, ympäristöt olivat hallittuja ja keskitetty prosessointi pystyi käsittelemään kaiken, mitä reuna ei voinut. Kuitenkin mikään näistä olosuhteista ei pidä paikkaansa nykyisissä teollisuusympäristöissä, ja vanha hierarkia murtuu sen vuoksi.

Teollisuuslaitosten operaatoreiden on nyt ohjattava tekoälyohjattua automaatiota suoraan tuotantolinjalle, vaaditen älykkäitä ja päätöksellisiä toimia mahdollisimman lähellä toimintaa. Tavoite on järkevä. Mutta sen kääntäminen luotettavaksi laitteistoksi, joka toimii oikeissa teollisuusolosuhteissa, vaatii prosessorin suunnittelun uudelleenarviointia alusta alkaen.

Uusi rajoitushierarkia

Maailmanlaajuinen teollisuuden reuna-markkinan ennustetaan kasvavan 21 miljardista dollarista vuonna 2025 lähes 45 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, ja laitteiston vaatimukset, jotka kasvavat sen mukana, näyttävät perustavanlaatuisesti erilaisilta kuin mitä prosessorin suunnittelijat ovat historiallisesti optimoineet. Kun tekoälyohjattu automaatio siirtyy hallituilta testiympäristöistä tuotantolinjalle, reunan käyttöön liittyvän rajoitushierarkian on käytännössä kääntynyt ylösalaisin:

1. Tehtävä on nyt ensisijainen. Aina päällä olevat toiminnot vaativat joustavia ohjausmuotoja, jotta voidaan vähentää hukkaa ja minimoida reunan älyjärjestelmien käyttöön liittyvät kustannukset.
2. Lämpö- ja ympäristötekijät voivat vaikuttaa suorituskykyyn. Teollisuuslaitokset esittävät ympäristöä, jotka voivat aiheuttaa suorituskyvyn heikkenemisen, kuten korkeat lämpötilat ja lämpörajoitus, sekä mahdollisen roskan ja kosteuden, jotka voivat heikentää toimintaa ennalta-arvattavasti.
3. Vilkkuvuus ja määrättyisyys ovat olennaisia tarkkuuteen perustuvissa käyttötapauksissa, kuten teollisuuslaitoksissa, joissa ajantasainen ja tarkka toiminta voi tehdä eron onnistumisen ja hävikin välillä.
4. Raakalaskenta tulee viimeiseksi tässä paradigmassa. Vaikka se on tärkeää, kaistanleveys ja läpi-vienti ovat vähemmän kriittisiä, kun upotetut ominaisuudet ovat hyvät. Kriittinen prosessointi ja päätöksenteko tapahtuvat laitteessa, joten keskitetty prosessointi ei tarvitse jatkuvaa siirtämistä.

Näiden rajoitusten kääntäminen vaatii, että suunnittelijat omaksuvat uuden lähestymistavan suunniteltaessa teollisuuden reunaan, joka ottaa huomioon enemmän kuin vain raakalaskentateho.

Löytäminen, mikä on “juuri oikein”

Kehitysympäristöissä, esimerkiksi suunniteltaessa teollisuusrobottia työpöydällä, GPU:t voivat olla tarpeeksi hyviä. Ne ovat erittäin kykeneviä ja tehokkaita komponentteja, jotka voivat prosessoida suuria määriä dataa nopeasti ja tarkasti. Kuitenkin nämä prosessit tapahtuvat hallituisissa ympäristöissä.

Teollisuuslaitteet asennetaan usein vanhaan laitteistoon, joka on jo käytössä. Ne voivat olla liikkuva. Virta, tila ja lämpökapasiteetti on ennalta määritetty ympäristön mukaan, ei laitteen tarpeiden mukaan. Tämä jättää vain prosessorin suunnittelun muuttujaksi, ja yleispurposeinen piiri on huonosti soveltuva tämän roolin täyttämiseen. Se on joko liian joustamaton tai liian laaja täyttämään teollisuuslaitteiden erityisiä ja jatkuvia vaatimuksia.

Esimerkiksi SoC:illa, joissa on integroidut NPU:t, tarjoavat keskitien näille rakennuksille, tarjoamalla matalan tehon ominaisuuksia ja robusteja määrättyisiä ominaisuuksia. Kuitenkin ne ovat usein vaatimattomia vaativissa reunan ympäristöissä niiden suunnittelun vuoksi, joka on optimoitu sporadiseen toimintaan lämpörajoitettuissa ympäristöissä. Puhallus-inferenssiorientoitunut suunnittelu tekee niistä epäluotettavan sopimuksen teollisuuslaitosten monimutkaisille todellisuuksille.

Tee tekoälyohjatun teollisuusautomaation todelliseksi, suunnittelijoiden on tarve joku välimuoto: piirit, jotka ovat joustavia tarpeisiin ja riittävän erikoistuneita käsittelemään erityisiä sovelluksia.

FPGA: t – enemmän kykenevä kumppani

Yhä useammat reunan kehittäjät alkavat hyödyntää kenttäohjelmoitavia portti-arrays (FPGA) vastauksena. Olennaisesti, FPGA: t eivät ole asemassa kokonaan korvaamaan GPU: ia, CPU: ta tai muita keskusprosessointivaihtoehtoja. Sen sijaan ne toimivat kumppanipiireinä, jotka sijaitsevat ensisijaisen prosessorin rinnalla käsittelemään tehtäviä, joita yleispurposeinen piiri käsittelee huonosti kenttäolosuhteissa: aina päällä oleva anturin valvonta, reaaliaikainen esikäsittely, määrätty vastaus ja tehon portti.

Riippuen arkkitehtuurista, nämä kumppanilaitteet voidaan sijoittaa GPU: n tai CPU: n rinnalle tai asettaa lähemmäs anturia itse, antaen suunnittelijoille joustavuutta siinä, miten ja missä työmäärä siirretään. Kyky toimia tässä kumppaniroolissa on se, mikä tekee FPGA: t niin soveltuviksi reunan teollisuusympäristöihin, joissa ensisijaisen prosessorin on suojattava yhtä jatkuvaan matalan tason prosessointivaatimusten altistamiselta.

Maailmanlaajuinen FPGA-markkinan arvo oli 11,6 miljardia dollaria vuonna 2024 ja ennustetaan kasvavan 41,6 miljardiin dollariin vuoteen 2033 mennessä, joka heijastaa kasvavaa tunnustamista tällaisesta kumppaniarkkitehtuurista teollisuus- ja reunasoikeuksissa. Kumppanipiireinä FPGA: t tarjoavat tietyn joukon kykyjä, jotka käsittelevät suoraan käännetyt rajoitukset:

• Rinnakkainen, data-orientoitu prosessointi, joka mahdollistaa laitteiden käsittelemään edistynyttä esikäsittelyä ennen siirtämistä keskitettyyn laskentalaitteistoon. Tämä vähentää datamääriä, lievittää viivettä ja turvaa luotettavat toiminnot.
• Määrätty päätöksentekokyky, joka voi tunnistaa tunnettuja laukaisutapahtumia mahdollistaakseen reaaliaikaisen vastauksen kriittisissä tilanteissa.
• Logiikkaan perustuva tehon portti, joka mahdollistaa laitteiden skaalautuvan energiankäytön ympäristöllisten laukaisijoiden (liike tai muutokset) mukaan, jotta korkean vaatiman prosessit ovat vain aktiivisia, kun niitä tarvitaan.
• Sisäänrakennetut turvallisuusominaisuudet, jotka sallivat FPGA: n toimimisen laitteiston luotettavana juurena (HRoT) ja auttavat suojelemaan keskitettyä laskentaa laitteista, jotka sijaitsevat julkisesti saatavilla olevissa paikoissa, ja tarjoavat ylimäisen turvallisuuden kerroksen yhä monimutkaisemmille järjestelmille.

Vaikka nämä ominaisuudet ovat olennaisia reunan älykkyyden edistämiseksi, FPGA: n joustavuus on lopulta se, mikä tekee niistä optimaalisen “ongelmanratkaisijan” reunan rakennuksille. Ne toimivat usein älykkäinä esikäsittelijöinä, käsittelemällä reaaliaikaisia anturin yhdistämisiä laitteessa sekä vähentämällä datansiirtovaatimuksia ja mahdollistaen ajantasaisen vastauksen.

Niiden rinnakkaisen prosessoinnin kyky mahdollistaa niiden nopean integroinnin ja analyysin, ja niiden siirtäminen korkeampiin prosessoreihin tarvittaessa tai toimiminen reaaliajassa kriisitilanteissa. Koska FPGA voi käsitellä nämä pienemmät tehtävät omin avuin, keskusprosessori säilyttää enemmän kaistanleveyttä käsitelläkseen monimutkaisempia tehtäviä, jotka siirretään.

Lisäksi FPGA: t ovat uudelleenohjelmoitavissa suunnittelun mukaan, joten järjestelmänvalvojat voivat päivittää reunan älykkyyden toteutuksia, kun työmäärät, ympäristöt ja tarpeet muuttuvat. Laitteet, jotka käyttävät FPGA: ta kumppanipiireinä, voivat kehittyä järjestelmän tarpeiden mukaan ilman laitteiston korvaamista tai uudelleen käyttöönottoa. Esimerkiksi ne tarjoavat joustavuuden, jota tarvitaan sopeutua, kun post-kvantti-salaus edistyy ja tekee olemassa olevat salausalgoritmit tehottomiksi.

Paras yhdessä

Teollisuusreuna on se paikka, jossa tekoälyohjattu automaatio osoittaa täysimääräisen potentiaalinsa, ja todelliset automaatiovaatimukset eivät odota, että yleispurposeiset piirit tavoittavat niitä. Reunan kehittäjien on otettava käyttöön uudet suunnitteluperiaatteet ja rakennettava optimoitu perusta, joka tasapainottaa joustavuuden ja erityisyyden tasaisesti.

FPGA: t voivat tehdä täsmälleen sen. Siellä, missä GPU: t ja SoC: t ovat rajallaan, FPGA: t täyttävät aukon kykenevinä kumppanipiireinä, tarjoamalla aina päällä olevan inferenssin, määrättyjen ohjaus, matalan tehon toiminnan ja potentiaalin kasvaa kehittyvien älykkyyden kykyjen ja teollisuuden käyttötapauksien mukana. Olipa ne käytössä itsenään tai yhdessä yleispurposeisten prosessoreiden kanssa, FPGA: t auttavat luomaan vahvan, luotettavan ja sopeutuvan perustan, jota tarvitaan reunan älykkyyden ekosysteemien tekemiseksi todelliseksi.