Руководство по выбору встраиваемой вычислительной платформы промышленного класса 

В таких областях, как военная промышленность, железнодорожный транспорт, медицина и промышленная автоматизация, выбор встроенной вычислительной платформы напрямую определяет предельные возможности системы, ее надежность и стоимость жизненного цикла. Столкнувшись с процессорами ARM, ПЛИС и различными решениями для гетерогенной интеграции, многие инженеры испытывают затруднения при выборе — как же им сделать правильный выбор?

В этой статье, исходя из потребностей практического применения, изложены характеристики и сценарии использования трех основных технических подходов, чтобы помочь вам принимать более обоснованные решения.

I. Сравнение трех технических подходов

Процессоры ARM: короли универсальных вычислительных систем.

Процессоры архитектуры ARM (например, серия Cortex-A) в настоящее время являются наиболее широко используемой универсальной вычислительной платформой в области встроенных систем. К их преимуществам относятся:

Развитая экосистема разработки : Отличная поддержка систем Linux/Android и богатый набор инструментов для разработки.

Хорошая совместимость программного обеспечения : стандартные приложения Linux могут запускаться напрямую, а затраты на портирование невелики.

Превосходная энергоэффективность : гетерогенная конструкция с большими и малыми ядрами, обеспечивающая баланс между производительностью и энергопотреблением.

Стабильная цепочка поставок : крупные производители, такие как NXP, TI и Rockchip, продолжают поставки.

Применимые сценарии: Общие вычислительные задачи, в основном основанные на программной логике, такие как человеко-машинный интерфейс, шлюз данных, граничные вычисления, обработка данных в системах видеонаблюдения и работа стека коммуникационных протоколов.

FPGA: Мощный инструмент для аппаратного ускорения

Основные преимущества ПЛИС (программируемых логических интегральных схем) заключаются в их способности к параллельной обработке и детерминированной задержке. Они предназначены не для «запуска программного обеспечения», а для «настройки аппаратной логики».

Истинная параллельная обработка : десятки сигналов обрабатываются одновременно, без ограничений, связанных с последовательными узкими местами.

Детерминизм на аппаратном уровне : фиксированная и предсказуемая задержка обработки, подходящая для систем, критически важных с точки зрения безопасности.

Гибкие интерфейсы : Возможность настройки различных высокоскоростных последовательных/параллельных протоколов интерфейса.

Реконфигурируемость : Одна и та же аппаратная платформа может быть адаптирована для решения различных задач путем изменения логической конфигурации.

Области применения: многоканальный сбор и обработка сигналов, обработка видеоизображений в реальном времени, реализация высокоскоростных протоколов связи, управление приводами двигателей, обработка сигналов радаров/сонаров и другие сценарии со строгими требованиями к задержке и пропускной способности.

Гетерогенное решение (ARM+FPGA): лучшее из двух миров

Всё больше приложений требуют как универсальных вычислительных мощностей, так и возможностей обработки данных в реальном времени. Гетерогенная платформа ARM+FPGA объединяет эти две вычислительные парадигмы на одной плате или даже на одном чипе.

На стороне ARM выполняется операционная система, обрабатывается бизнес-логика и обеспечивается взаимодействие человека с компьютером.

На стороне FPGA отвечают высокоскоростная обработка сигналов, аппаратное ускорение и детерминированное управление.

Высокоскоростные шины (например, AXI) соединяют обе стороны, обеспечивая обмен данными с низкой задержкой.

Области применения: сложные системы, такие как промышленный визуальный контроль, программно-определяемое радио, интеллектуальное управление светофорами, а также сбор и анализ сигналов медицинского оборудования.

II. Структура принятия решения о выборе

При выборе модели вы можете выполнить следующие шаги для фильтрации вариантов:

Шаг 1: Определите основные потребности

Требуется ли параллельная обработка нескольких сигналов? → Если да, то необходима ПЛИС (FPGA).

Необходимо ли для работы сложное программное обеспечение/операционные системы? → Да, тогда требуется ARM.

Необходимы оба варианта? → Выберите гетерогенное решение

Шаг 2: Оценка показателей производительности

Требования к задержке обработки (уровень миллисекунд → достаточно для ARM; уровень микросекунд → требуется для FPGA)

Пропускная способность данных (ниже 100 Мбит/с → ARM; уровень Гбит/с → FPGA или высокоскоростной интерфейс)

Сложность алгоритма (для операций с плавающей запятой, требующих интенсивного использования вычислений → с учетом ускорения с помощью DSP/GPU)

Шаг 3: Учет экологических аспектов и надежности

Диапазон рабочих температур (коммерческий класс 0~70℃ / промышленный класс -40~85℃ / военный класс -55~125℃)

К факторам окружающей среды относятся вибрация, удары и влажность.

Жизненный цикл и стабильность поставок (военно-железнодорожная промышленность требует гарантии поставок более чем на 10 лет).

Шаг 4: Оценка затрат на разработку.

Цикл разработки (решения на базе ARM обычно самые быстрые, в то время как для FPGA требуется более длительный цикл разработки и верификации).

Кадровый резерв (инженеры по FPGA относительно немногочисленны и имеют более высокую стоимость рабочей силы).

Возможно ли использовать проверенные модули для ускорения разработки (например, плату на базе модуля RK3588 SOM)?

III. RK3588: Высокопроизводительный вариант для отечественных гетерогенных платформ

Микросхема Rockchip RK3588 — это флагманский чип в современных отечественных встраиваемых платформах:

Четырехъядерный процессор Cortex-A76 + четырехъядерный процессор Cortex-A55 , максимальная тактовая частота 2,4 ГГц.

Встроенный нейронный процессор с производительностью 6 TOPS для ускорения выполнения задач искусственного интеллекта.

Кодирование и декодирование видео 8K , поддержка аппаратного кодирования и декодирования H.265/AV1.

Широкий набор интерфейсов : несколько портов PCIe 3.0, гигабитный Ethernet, USB 3.1, HDMI 2.1.

Поддерживает многоэкранное отображение с возможностью подключения до 4 дисплеев.

Вычислительная платформа на базе RK3588 может использоваться в самых разных областях, от периферийных вычислительных устройств до промышленных терминалов управления. Циюнь Чжисюнь предлагает широкий выбор вычислительных модулей и плат на базе RK3588, включая платы SOM, платы интерфейса VPX/CPCI и периферийные компьютеры.

IV. Несколько вариантов выбора

Избегайте излишнего усложнения : если ARM уже соответствует требованиям, нет необходимости настаивать на использовании FPGA, что неоправданно увеличивает стоимость и сложность.

Сосредоточьтесь на программной экосистеме : какой бы мощной ни была аппаратура, все это бесполезно без развитой программной поддержки.

Зарезервируйте место для расширения : при выборе платформы учитывайте возможность обновления в течение следующих 2-3 поколений продуктов.

Приоритетное внимание следует уделять модулям с проверкой в условиях массового производства : это снизит риск ошибок.

Приоритет следует отдавать контролируемости цепочки поставок : тенденция заключается в замещении отечественных товаров, и приоритет следует отдавать моделям со стабильным внутренним предложением.

Если вам необходима профессиональная консультация по выбору встроенной вычислительной платформы или если вам требуется разработка и индивидуальная настройка вычислительной платы определенной формы, пожалуйста, свяжитесь с технической Циюнь Чжисюнь для обсуждения.