簡(jiǎn)化信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)高能效電機(jī)控制。AMD用自適應(yīng)計(jì)算能力加速智能邊緣應(yīng)用

電機(jī)無處不在，小到電動(dòng)牙刷、電動(dòng)工具，大到電動(dòng)汽車、公共交通等。隨著雙碳目標(biāo)的迫近，以及數(shù)字化智能化的發(fā)展，電機(jī)的控制要求也變得越來越復(fù)雜。為了幫助所有的電機(jī)控制、信號(hào)處理的各類工程師們簡(jiǎn)化開發(fā)，提高方案能效，AMD推出了全新的Kria K24 SOM和配套的KD24。AMD工業(yè)、視覺、醫(yī)療與科學(xué)高級(jí)總監(jiān)Chetan Khona先生在發(fā)布會(huì)上，進(jìn)行了精彩的分享。

圖：AMD工業(yè)、視覺、醫(yī)療與科學(xué)高級(jí)總監(jiān)Chetan Khona

應(yīng)對(duì)多電機(jī)、多功能集成和低功耗的電機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)下電機(jī)的能源消耗占據(jù)了全球工業(yè)能源總量的70%；因此對(duì)于電機(jī)能效的提升，將會(huì)極大地助力我們的可持續(xù)發(fā)展。而眼下電機(jī)的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜：一方面，電機(jī)變得更加精密復(fù)雜，需要提供各種速度能力；另一方面，越來越多的SiC、GaN等新材料的引入，提升了效率和性能，但增加了電路設(shè)計(jì)的門檻。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)有三個(gè)要素，分別是驅(qū)動(dòng)器、供電部分和電機(jī)本身。如果是一個(gè)單軸的電機(jī)，可以用非常簡(jiǎn)單的技術(shù)解決相關(guān)的問題。但現(xiàn)在我們?cè)诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，經(jīng)常有多項(xiàng)任務(wù)需要同時(shí)進(jìn)行，而且電機(jī)控制系統(tǒng)也需要處理很多的軸。

傳統(tǒng)的高速高精度的電機(jī)控制的主控方案，通常是DSP、FPGA等，而近年來隨著MCU計(jì)算能力的加強(qiáng)，而且不少M(fèi)CU內(nèi)部也會(huì)集成DSP，越來越多的電機(jī)控制也會(huì)選擇采用MCU的方案。

但據(jù)Chetan Khona介紹，MCU或DSP如果只是控制電機(jī)的話，是可以完成的不錯(cuò)的，但是在現(xiàn)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境下，還要顧及功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能，還有預(yù)測(cè)性維護(hù)等等。所以光是電機(jī)就不行了，但是AMD最新推出的K24 SOM可以支持以上所有的功能，能夠把很多的軸進(jìn)行一個(gè)集成，通過這樣的方式來控制成本和功耗。

我們知道DSP以數(shù)字信號(hào)處理見長(zhǎng)，是最適合做電機(jī)控制的處理器類型。但采用AMD的自適應(yīng)計(jì)算架構(gòu)的FPGA類產(chǎn)品更加適合，能夠提供四大優(yōu)勢(shì)。

第一，自適應(yīng)計(jì)算架構(gòu)的MPSoC采用了完全并行的程序運(yùn)行方式，而使用FPGA的硬件能夠帶來時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)時(shí)鐘周期就可以完成DSP多個(gè)周期才能跑完的程序。

第二，是更好的功耗表現(xiàn)。這與大家長(zhǎng)期的認(rèn)知有所差異，通常我們認(rèn)為FPGA功耗更大，但對(duì)比起來，DSP要實(shí)現(xiàn)最快方式取得結(jié)果，需要時(shí)鐘跑到幾百M(fèi)Hz甚至GHz級(jí)別；但FPGA的主頻速度可以更慢，只要200MHz就可以以同樣乃至更快的方式完成了同樣的工作，因此就可以更加省電。

另外值得一提的是，在系統(tǒng)功耗層面來看，因?yàn)橄馣24 SOM這樣的方案，可以支持多功能的這個(gè)，比如在功能安全方面，將原本兩個(gè)芯片的方案功能都集成到同一個(gè)K24 SOM中；又比如在多電機(jī)的控制方案中，通過一個(gè)K24 SOM的整合實(shí)現(xiàn)；這樣就大大降低了成本和能耗。

第三是靈活性的優(yōu)勢(shì)。選擇FPGA進(jìn)行電機(jī)控制的方案，設(shè)計(jì)人員可以自由地在功耗、時(shí)間以及時(shí)鐘速度等多個(gè)參數(shù)之間進(jìn)行取舍，并且可以實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用。例如，開發(fā)者可以自己選擇是在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成200次操作，還是在四個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行200次操作，根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行自由調(diào)整。

最后一個(gè)優(yōu)勢(shì)是獨(dú)立性。多訪問的電機(jī)控制應(yīng)用，傳統(tǒng)方式是通過一個(gè)電路來控制多個(gè)電機(jī)，這樣會(huì)稀釋性能。而采用一個(gè)FPGA就可以直接控制多訪問的電機(jī)控制回路，提高了獨(dú)立性。

K24 SOM：不同背景開發(fā)者，都可以輕松構(gòu)建高能效電機(jī)控制方案

AMD最新推出的Kria K24 SOM，是一款自適應(yīng)計(jì)算的電機(jī)控制方案，能夠支持多種不同類型的電機(jī)控制應(yīng)用。

該方案的主控采用了AMD的Zynq UltraScale+ MPSoC，采用了InFO先進(jìn)封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更小的尺寸，并且專門針對(duì)電機(jī)控制方面進(jìn)行功能強(qiáng)化。和K26 SOM上選擇的主控器件類似，K24 SOM上的Zynq UltraScale+ MPSoC集成了四核Arm Cortex-A53和兩個(gè)Arm Cortex-R5F CPU，但對(duì)于對(duì)于關(guān)注尺寸、功耗、成本等方面的設(shè)計(jì)，K24 SOM是更為理想的選擇。選擇Zynq UltraScale+ MPSoC作為主控的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它能夠?qū)崿F(xiàn)混合關(guān)鍵性，對(duì)于不同用戶功能分配實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)，從而進(jìn)行多功能的系統(tǒng)功能調(diào)度和調(diào)配。

K24 SOM支持最新版本22.04 Ubuntu OS；內(nèi)部集成154K的硬件邏輯加速資源；I/O數(shù)量要比K26 SOM少，但132個(gè)I/O口也足夠支持多電機(jī)和多傳感器的配置；LPDDR的數(shù)量是K26 SOM的一半，工業(yè)級(jí)的K24 SOM具有2GB的LPDDR4，并且有ECC支持；K24 SOM還支持EtherCAT和TSN在內(nèi)的40多種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；尺寸方面，K24SOM僅為信用卡的一半。

上述特性介紹陳列完畢，但這不是重點(diǎn)。K24 SOM最具優(yōu)勢(shì)的點(diǎn)在于，能夠幫助各種不同類型的工程師和開發(fā)人員，快速上手，構(gòu)建產(chǎn)品級(jí)的高能效電機(jī)控制方案。圍繞著Kria SOM的整個(gè)開發(fā)生態(tài)的打造，是這款K24 SOM的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力所在。

K24 SOM支持采用Python、AMD Vitis、MathWorks的MATLAB和Simulink、ROS2和AMD Vivado多種不同的開發(fā)方式；并且在Kria應(yīng)用商店中提供了多種不同的邊緣計(jì)算加速應(yīng)用，供開發(fā)人員選擇。預(yù)計(jì)今年年底會(huì)有超過25款應(yīng)用在這個(gè)應(yīng)用商店里推出。所有這些應(yīng)用都是基于Ubuntu linux開發(fā)，且都是容器化的，在docker hub當(dāng)中來配置。

據(jù)Chetan Khona介紹，K24 SOM支持更多不同背景的開發(fā)人員。有的開發(fā)人員可能聽過自適應(yīng)計(jì)算，但沒有經(jīng)歷相關(guān)的訓(xùn)練或者是背景，沒有辦法用傳統(tǒng)的方式來進(jìn)行自適應(yīng)計(jì)算的設(shè)計(jì)。那么通過Kria產(chǎn)品，就可以幫助這些開發(fā)人員獲得自適應(yīng)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，但是又不需要使用傳統(tǒng)的FPGA那樣去設(shè)計(jì)。

K24 SOM和K26 SOM的接口兼容，可以使用同樣的載板/底板設(shè)計(jì)。對(duì)于像機(jī)械臂、機(jī)器人等復(fù)雜的應(yīng)用而言，這大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)時(shí)間。開發(fā)人員只需要設(shè)計(jì)一個(gè)底板，就可以支持所有的K24 SOM和K26 SOM的驅(qū)動(dòng)。在底板的制作過程中，開發(fā)者可以先選擇K24 SOM的入門套件進(jìn)行開發(fā)。據(jù)Chetan Khona介紹，整個(gè)套件僅需5步就可以完成啟動(dòng)，整個(gè)過程不超過一小時(shí)。

目前推出的是Kria KD240的電機(jī)配件包，采用正交編碼器，自動(dòng)化無刷直流電機(jī)的配置。而REV Robotics 2合1電機(jī)套件配件，會(huì)在今年晚些時(shí)候問世。這一個(gè)套件包可以直接實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械臂的方案，同時(shí)還可以選配視覺AI的射球器，可以和USB攝像頭進(jìn)行連接，用人工智能幫助瞄準(zhǔn)。

通過AMD自適應(yīng)計(jì)算能力，助力全面智能邊緣應(yīng)用

K24 SOM的推出，和K26 SOM一起，構(gòu)建了一個(gè)更為完整的、可拓展的、采用AMD自適應(yīng)計(jì)算能力的智能邊緣計(jì)算平臺(tái)。以一個(gè)機(jī)械臂來舉例，開發(fā)者可以將驅(qū)動(dòng)和視覺計(jì)算平臺(tái)統(tǒng)一，采用一致自適應(yīng)計(jì)算平臺(tái)，來加速整個(gè)機(jī)械臂的產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間。并且通過統(tǒng)一的平臺(tái)，一方面可以更容易實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品能力的區(qū)分，另一方面簡(jiǎn)化了軟件的開發(fā)難度。

Chetan Khona表示，Kria SOM系列的真正的目標(biāo)是希望能夠吸引新的用戶來使用自適應(yīng)計(jì)算，從STEM教育開始、到大學(xué)、初創(chuàng)企業(yè)和大型的跨國(guó)企業(yè)，甚至是而且機(jī)器人娛樂業(yè)也有涉足。Kria的擴(kuò)展戰(zhàn)略取得了非常好的效果，Kria用戶當(dāng)中有25%是自適應(yīng)計(jì)算的新用戶。

而除了電機(jī)控制相關(guān)的機(jī)器人、3D打印系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和公共交通之外，任何需要非常密集的數(shù)字信號(hào)處理和傳感融合的邊緣計(jì)算設(shè)備，都可以通過Kria的自適應(yīng)計(jì)算能力，來實(shí)現(xiàn)加速和賦能。