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【自適應計算在機器人領域的應用】連載三:為什么FPGA能在機器人中起到重要作用

2021年11月12日 15:30 ? 次閱讀

  作者: Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi,賽靈思公司

  連載三:為什么 FPGA 能在機器人中起到重要作用

  CPUGPU 擅長控制流計算。它們的控制驅動機器模型基于控制令牌,控制令牌提示應執行語句的時間。這賦予 CPU 和 GPU 完全的控制力,能輕松實現復雜的數據和控制結構。然而,這樣做的代價是效率較低且難以毫無差錯地準確編程。相反,FPGA 擅長數據流運算。它們遵循數據驅動機器的模式,一旦所有操作數可用就執行語句。這樣的結果就是 FPGA 能釋放巨大的并行性和吞吐量潛力,同時避免出錯或產生副作用。

  總體而言,作為 CPU 和 GPU 通用平臺的替代技術,FPGA 能夠自適應生成定制計算架構,滿足機器人的需求。因為擁有前所未有的靈活性,并能縮短設計周期,同時降低開發成本,FPGA 已經z在各類知名工業機器人制造商和醫療機器人應用中大量采用。在 “A survey of FPGA- based roboTIc compuTIng”中,讀者可以看到一份有關基于 FPGA 的機器人計算的調研,該調研展示了 FPGA 在機器人應用領域的廣泛適用性。下面是對 FPGA 特征的詳細描述:

  ? 自適應:當同時需要控制流和數據流時,CPU 和 GPU因為時延和響應時間問題無法使用,而 FPGA 則能生成無與倫比的定制計算架構,滿足嚴格的實時要求和多重關鍵性要求。CPU 和 GPU 所采用的固定計算架構,限制了它們的整體能力,包括響應時間和時延。

  ? 高性能:FPGA 通過建立深度流水線化的數據路徑(流計算)來提升計算性能,而不是像 CPU 和 GPU 那樣依靠計算單元數量的增加。流計算的工作原理是一個計算單元產生的數據立即被流水線中的下一個計算單元處理,這樣就免去了數據流通道中“提取-計算-存儲 (fetch-compute-store)”的環節,便于數據產生者和消費者的運算操作,從而提升了性能。相反,由于存在架構固定、核數量固定、指令集固定、存儲器架構僵化等多重限制,CPU 和 GPU 只能以犧牲性能的方式進行計算。

  ? 高能效:速度和功耗是數字電路的基本品質因數 (FOM,figures of merit)。功率是表示數字電路頻率和觸發率的函數。 FPGA 通過并行和直接執行算法調節頻率。FPGA 保持較低頻率和較低切換率(無指令獲?。┻M行計算,但與 CPU 和 GPU 的等效計算性能相比,FPGA 在更高的頻率下具有更大的并行性優勢,從而客戶以實現更好的功率指數和更高的能效。

  ? 不浪費算力:FPGA 借助靈活性實現芯片利用率最大化以提升性能。動態功能交換(DFX,過去被稱為“部分重配置”)允許在 CPU 上運行的線程化應用分時共享 FPGA。由此當給定線程正在處理 FPGA 生成的結果時,另一線程能使用 FPGA 進行不同的計算。

  ? 可預測:FPGA 幫助 CPU 和 GPU 卸載嚴格意義的實時計算,在執行時間上提供納秒級預測能力,而且不會受到與 GPU 和 CPU 計算有關的軟件變更或抖動的影響。

  ? 可重配置:機器人算法仍處于高速演進發展中,FPGA 能夠按需進行動態重配置和更新。此外,還可以輕松地對 FPGA 進行重新編程以滿足異構需求,實現 CPU 和 GPU 才能提供的通用能力。

  ? 安全:FPGA 能夠按需靈活地構建安全電路,保障機器人數據流的安全。此外,FPGA 能充分利用重配置功能修正其硬件架構的缺陷(避免硬件風險)。這樣設計人員就能迅速解決在固定計算架構上難以解決或者無法解決的安全風險(避免未來的風險,例如“熔毀”和“幽靈”)。

  然而也有觀點認為,盡管 FPGA 是機器人專家心目中理想的計算基干,但是它們提供的靈活性是以增加復雜性和所需的設計技能為代價的?!癆 survey of FPGA- based roboTIc compuTIng”列出了部分所需的額外技能。只有能夠全面綜合地運用含多核 CPU、GPU 和 FPGA 在內的所有這些技術,才能實現最優異的機器人性能。實際不然,賽靈思所提供這種集成式片上系統 (SoC) 解決方案,是將 CPU 通用軟件的可編程能力與 FPGA 自適應硬件功能完美結合在了同一器件之中。

  這些自適應 SoC 為機器人應用提供了軟硬件兼有的高靈活性計算基礎,并可提供高性能、低功耗、確定性、硬件可重配置、安全,以及自適應特性等價值。

  要點總結:CPU 和 GPU 擅長控制流計算,而 FPGA 擅長數據流計算。自適應 SoC 解決方案為機器人應用提供了軟硬件兼具的高靈活性計算基干,可提供低功耗、高性能、確定性、硬件可重配置、安全,以及自適應等特性。

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