智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣 (Edge)平臺(tái)的關(guān)鍵屬性（下）

作者/Chetan Khona 賽靈思公司工業(yè)IoT戰(zhàn)略與商務(wù)經(jīng)理

　　4 軟件定義的硬件

　　“網(wǎng)絡(luò)安全：硬化的和適應(yīng)未來威脅的能力”一節(jié)中曾提到，硬件卸載獲得的不只是 All Programmable SoC 可編程硬件的支持。實(shí)現(xiàn)整個(gè)愿景需要能優(yōu)化這一技術(shù)的軟件自動(dòng)化功能。像 SDSoC? 開發(fā)環(huán)境這樣的工具能讓用戶編寫 C/C++/OpenCL 及其它日益增多的語言，將功能的全部或部分分區(qū)到可編程硬件或軟件中。SDSoC 開發(fā)環(huán)境還能在處理器和可編程硬件間生成數(shù)據(jù)移動(dòng)引擎和基礎(chǔ)架構(gòu)。2015 年，SDSoC 工具

　　結(jié)合使用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES)-256 算法，在將算法部分移到可編程硬件時(shí)，顯示性能提升高達(dá) 4 倍提升?！禭cell 軟件刊》中的“使用 SDSoC 加速 AES 加密”一文。

　　該基準(zhǔn)測試的重點(diǎn)是探索軟件智能與可編程硬件優(yōu)化的最佳平衡。不過這個(gè)工具也能將該功能完整地卸載到可編程硬件。與此相似，通過硬件加速引擎，馬達(dá)控制環(huán)路收斂時(shí)間與純軟件實(shí)現(xiàn)方案相比，能將性能提升 30-40 倍。見圖 4。

圖4 SDSoC 設(shè)計(jì)環(huán)境 設(shè)計(jì)流程

　　5 邊緣計(jì)算：可擴(kuò)展、低成本與實(shí)時(shí)

　　如同通信和安全，邊緣計(jì)算正朝向超多個(gè)方向演進(jìn)。云的計(jì)算能力運(yùn)行在之前無法訪問的系統(tǒng)所釋放的數(shù)據(jù)流上，為用戶提供了前所未有或無法理解的可執(zhí)行的洞察力。這就建立起一套可用作新基線的預(yù)期或桌面籌碼。正如依靠 GPS 實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)讓大部分高速公路地圖過時(shí)，工業(yè)設(shè)備的購買者和使用者對(duì)來自他們的 IIoT 系統(tǒng)的反饋有著不同的期望。目前在下列三大因素的推動(dòng)下，趨勢是把這些洞察的生成從云端推向邊緣：

　　· 在從邊緣到云端的往返環(huán)路中以盡量快的速度應(yīng)用洞察

　　· 發(fā)送(在許多情況下)大數(shù)量數(shù)據(jù)到云端的成本

　　· 發(fā)送數(shù)據(jù)到云端的安全、可靠性和隱私問題

　　有些行業(yè)趨勢不應(yīng)該看得那么絕對(duì)。對(duì)解決部分此類安全和隱私問題，即便只是在本地預(yù)處理數(shù)據(jù)，然后把優(yōu)化后的混淆數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，也能帶來巨大的好處。最簡單的例子是把低通或平均濾波器應(yīng)用到負(fù)責(zé)控制機(jī)器的控制器上的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。結(jié)果是既減少發(fā)送到云端的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量，也抑制了離群數(shù)據(jù)。通過可編程硬件，您能將這些優(yōu)化功能

　　在數(shù)據(jù)流出機(jī)器時(shí)應(yīng)用到數(shù)據(jù)上。與使用復(fù)雜內(nèi)存事務(wù)相比，能實(shí)現(xiàn)最高效的數(shù)據(jù)處理。這是因?yàn)閮?nèi)存事務(wù)會(huì)影響根據(jù)數(shù)據(jù)制定任何可能決策的響應(yīng)時(shí)間。這個(gè)例子可以表達(dá)為來自單個(gè)傳感器的單數(shù)據(jù)流，但實(shí)際上許多工業(yè)系統(tǒng)是由數(shù)百個(gè)乃至數(shù)千個(gè)并行數(shù)據(jù)流組成的。連接的數(shù)量放大了問題，以及可編程硬件通過各種傳感器融合技術(shù)和片上分析提供的解的值。

　　在這里描述的示例中，智能嵌入在控制器中，對(duì)時(shí)間敏感反饋項(xiàng)進(jìn)行本地調(diào)整，將時(shí)間關(guān)鍵性較低的數(shù)據(jù)

　　以壓縮格式推送到云端。這是邊緣和云端相互補(bǔ)充的最好例證。這種對(duì)嵌入式智能和邊緣-云端協(xié)作的描述也能適用于邊緣上的機(jī)器學(xué)習(xí)，這是 IIoT 領(lǐng)域重要性不斷上升的一個(gè)課題。機(jī)器學(xué)習(xí) — 其中包括基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)推斷和部署，以及回歸和其它經(jīng)典方法，極其適合可編程硬件構(gòu)成的高能效、可定制和大規(guī)模并行計(jì)算架構(gòu)。出于這個(gè)原因，基于可編程硬件的加速卡在云中得到廣泛使用。同一 All Programmable 技術(shù)可供在邊緣使用，為多傳感器機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供最低時(shí)延、功耗與成本。由于 All Programmable 技術(shù)既能高效支持IT-OT 融合的所有基本方面，同時(shí)又能為新興領(lǐng)域提供一流功能，該技術(shù)單個(gè)器件可以覆蓋最廣泛的 IIoT 應(yīng)用。比如將馬達(dá)控制、機(jī)器視覺、網(wǎng)絡(luò)通信、功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全等應(yīng)用與邊緣分析和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，是 All Programmable 技術(shù)在 IIoT 中的預(yù)期用例。通過使用附帶支持庫的 SDSoC 開發(fā)環(huán)境等工具，用戶只需占用最小型 All Programmable 器件的一部分資源，就能把大量算法實(shí)現(xiàn)在器件中。見圖 5。

　　圖5 Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+ SoC 的機(jī)器學(xué)習(xí)推斷流程

　　6 傳統(tǒng)處理器的輔助 FPGA

　　要實(shí)現(xiàn)寬泛的 IT-OT 功能，IIoT 邊緣平臺(tái)首選 All Programmable SoC。這些器件可提供前面描述的集成優(yōu)勢，同時(shí)還可降低功耗和成本。在已經(jīng)有之前的架構(gòu)存在的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，比如說存在專門用于傳統(tǒng)嵌入式處理器的傳統(tǒng)代碼的情況，此時(shí)還有另一個(gè)選擇。在這種情況下，通過使用稱為 FPGA 的純可編程硬件器件，仍可發(fā)揮上文介紹的部分優(yōu)勢。FPGA 作為能與主嵌入式處理器方便接口的輔助器件運(yùn)行。這些 FPGA 發(fā)揮主嵌入式處理器的協(xié)處理器的作用，提供實(shí)現(xiàn)緊湊的微處理器

　　或微協(xié)處理器(例如賽靈思 MicroBlaze?)的選項(xiàng)。這些軟處理器(用可編程硬件構(gòu)建)支持多種操作系統(tǒng)和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。使用這些選項(xiàng)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)環(huán)境中也能卸載不斷演進(jìn)的或時(shí)間關(guān)鍵的功能。FPGA 和 SoC 等賽靈思 All Programmable 產(chǎn)品組合不僅能實(shí)現(xiàn)可在更大溫度范圍內(nèi)使用的生命周期長、可用性高的芯片，而且還能夠?qū)φ麄€(gè)或部分器件進(jìn)行重配置，即便在運(yùn)行中也能如此。同時(shí)在共享封裝兼容的情況下提供多 FPGA 選項(xiàng)，便于采取平臺(tái)化措施。雙芯片方法與 All Programmable SoC 相比，處理器與 FPGA 之間缺乏高帶寬。這種高帶寬和單芯片 SoC 內(nèi)的連接數(shù)量，有助于軟硬軟件之間的動(dòng)態(tài)勞動(dòng)分工(即之前的示例的前提條件)，這種特性是雙芯片解決方案無法媲美的。即便有這些局限性，可編程硬件的價(jià)值也大到足以讓越來越多的嵌入式處理器在它們的數(shù)據(jù)集中推廣專用 FPGA 接口(一般根據(jù) PCIe、SPI、QSPI 等標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建)。

　　7 新工業(yè)時(shí)代針對(duì)壽命的軟硬件可編程性

　　采用電氣化工業(yè)控制系統(tǒng)問世已有百余年時(shí)間。正如有些人將 IIoT 稱為第四次工業(yè)革命一樣，不僅可用的技術(shù)和所需完成的任務(wù)發(fā)生了改變，整個(gè)行業(yè)的發(fā)展速度也隨著變革的速度加快。目前，IT-OT 任務(wù)隨著時(shí)間不斷深化和擴(kuò)展， IIoT 邊緣平臺(tái)的構(gòu)建塊新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，使其基本上能夠很好處理這些任務(wù)。與前二三十年使用的傳統(tǒng)嵌入式架構(gòu)構(gòu)建塊相比，Zynq-7000 和 Zynq UltraScale+器件等 All Programmable SoC 運(yùn)用軟件和硬件可編程性保持資產(chǎn)長期有用。那種針對(duì)每個(gè)端點(diǎn)產(chǎn)品使用不同嵌入式處理器，而毫不考慮其連接的是同一云基礎(chǔ)設(shè)施的方法，是一種行將失敗的方法，因?yàn)?IIoT 系統(tǒng)開發(fā)中大約 75% 的成本都與云和嵌入式軟件開發(fā)息息相關(guān)。對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商來說，最重要的是通過軟件服務(wù)讓他們投入的研發(fā)時(shí)間和資金創(chuàng)造價(jià)值，而不是再開發(fā)通信接口、安全基礎(chǔ)架構(gòu)、控制環(huán)路時(shí)序、數(shù)據(jù)分析算法等。FPGA 方法為那些必須處理傳統(tǒng)處理器的供應(yīng)商提供了眾多這種優(yōu)勢。All-Programmable SoC 方法有助于最大化可用選項(xiàng)，是面向工業(yè)系統(tǒng)供應(yīng)商及其客戶增加投資回報(bào)的關(guān)鍵。

　　8 結(jié)論

　　總之，本白皮書重點(diǎn)介紹賽靈思 All Programmable SoC 和 FPGA 如何通過以下優(yōu)勢為系統(tǒng)供應(yīng)商及其客戶帶來最大投資回報(bào) (ROI)：

　　· 賽靈思 All Programmable SoC 和 FPGA 的更長生命周期它們特有的軟硬件可編程特性相結(jié)合結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的現(xiàn)場更新，又能避免不能遵循 IIoT 新標(biāo)準(zhǔn)和趨勢的風(fēng)險(xiǎn);

　　· 面向系統(tǒng)供應(yīng)商平臺(tái)的擴(kuò)月多個(gè)賽靈思器件系列的可擴(kuò)展特性,可在整個(gè)產(chǎn)品線中降低總擁有成本;

　　· 集成來自 IT 域和 OT 域的多重 IIoT 功能到單個(gè)高靈活性、低時(shí)延、高能效器件中。