Carros modernos podem conter bem mais de 70 sensores[1], todos coletando dados, e esse número é significativamente maior em modelos de alto nível, ricos em sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS).[2] Parte desses dados precisa ser processada com atraso mínimo. Enquanto isso, no chão de fábrica, múltiplos sistemas de visão e robôs precisam se coordenar em tempo real sob rigorosos requisitos de desempenho e segurança. Em ambos os casos, o desafio é como processar grandes volumes de dados de forma rápida, confiável, segura e diretamente na borda.
À medida que a computação de borda e as aplicações de Internet das Coisas (IoT) continuam a evoluir e se multiplicar, torna-se necessário um processamento rápido e confiável em uma variedade cada vez maior de dispositivos e cenários na borda. Fusão de sensores, visão computacional e processamento de sinais em tempo real estão criando demandas que microcontroladores (MCUs) e circuitos integrados de aplicação específica (ASICs) tradicionais não foram projetados para atender. Os arrays de portas programáveis em campo (FPGAs), antes considerados caros demais para uso em larga escala na borda, tornaram-se agora uma alternativa prática graças aos avanços em projeto e fabricação que reduziram custos e consumo de energia.
Seja um carro processando dados de sensores em tempo real, um sistema industrial coordenando máquinas no chão de fábrica ou um dispositivo médico que realiza imagens enquanto protege informações sensíveis de pacientes, as aplicações modernas na borda exigem desempenho consistente e forte segurança.
Os FPGAs PolarFire® Core da Microchip Technology atendem a esses requisitos ao combinar eficiência, flexibilidade e custo-benefício. Neste blog, veremos os desafios enfrentados pelos engenheiros na borda e como os dispositivos PolarFire Core podem resolvê-los.
As vantagens dos FPGAs
Velocidade de processamento e segurança de dados são prioridades máximas em muitas aplicações de computação na borda. Aplicações automotivas e de manufatura exigem processamento ultrarrápido para garantir e manter a segurança, enquanto dispositivos médicos que manipulam dados de pacientes requerem segurança robusta para assegurar a privacidade.
Os FPGAs possuem duas vantagens distintas em relação a MCUs e ASICs em dispositivos e aplicações de borda: custo acessível e adaptabilidade. Como podem ser reprogramados e reconfigurados, os FPGAs oferecem aos projetistas a flexibilidade para se adaptar a novos requisitos, seja uma mudança na linha de produção, uma atualização de segurança ou um novo conjunto de dados a ser processado.
No passado, o alto custo mantinha os FPGAs fora de muitos projetos de borda, especialmente em mercados de grande volume como automotivo e médico. Ao reduzir a complexidade desnecessária do projeto enquanto mantêm as funcionalidades essenciais, os FPGAs tornaram-se uma solução muito mais econômica.
FPGAs otimizados para baixo consumo fazem ainda mais sentido em equipamentos móveis e dispositivos portáteis, onde o consumo de energia é crítico. Embora nem sempre igualem o desempenho bruto de um ASIC, muitas aplicações de borda não exigem esse nível extremo de processamento. Em vez disso, precisam de consistência, eficiência e capacidade de evolução.
Computação na borda
A computação na borda está se expandindo para uma ampla gama de indústrias, abrindo novas oportunidades para os FPGAs em mercados que exigem tanto velocidade quanto eficiência.
Em sistemas automotivos, aplicações assistidas e autônomas dependem da fusão de sensores para coletar, analisar e processar dados de câmeras, radares e outros sensores de proximidade, determinando a ação apropriada em tempo real. Sistemas modernos de infotainment, que gerenciam áudio, controle de clima e navegação, também exigem processamento rápido e forte segurança para proteger dados como destinos frequentes e histórico de buscas.
No chão de fábrica, um conjunto de máquinas automatizadas ou robôs móveis pode exigir um processador ou dispositivo central para coordenar seus movimentos e evitar colisões ou congestionamentos. Nesse cenário, o desempenho determinístico dos FPGAs ajuda a manter a confiabilidade. Ao mesmo tempo, a segurança continua sendo crítica — uma falha em um sistema de controle industrial pode interromper a produção ou causar prejuízos significativos.
Na área da saúde, a computação na borda oferece suporte tanto a dispositivos voltados ao paciente quanto a sistemas avançados de imagem. FPGAs podem acelerar tarefas como processamento de imagens de ultrassom ou tomografia computadorizada (CT), mantendo os dados dentro da rede hospitalar para conformidade. Para dispositivos médicos portáteis, a eficiência energética também é essencial, já que os profissionais precisam de ferramentas que não esgotem a bateria durante o uso.
Série PolarFire® Core de FPGAs
A série PolarFire Core de FPGAs e FPGAs com sistema em chip (SoC) da Microchip Technology é otimizada para aplicações de computação na borda que priorizam baixo consumo de energia e custo reduzido em volume. Esses FPGAs fornecem o desempenho essencial necessário em dispositivos eletrônicos portáteis usados em hospitais ou fábricas, bem como em máquinas automatizadas de maior porte e automóveis. A adaptabilidade da série PolarFire Core oferece ainda mais funcionalidades, pois eles podem ser rapidamente reconfigurados conforme a necessidade.
A nova variação dos FPGAs PolarFire da Microchip foi simplificada com a remoção de componentes frequentemente desnecessários em aplicações de médio porte, ajudando a reduzir a complexidade do projeto e proporcionando alto desempenho com menor custo. Os PolarFire Core SoC FPGAs integram um MPU RISC-V de 64 bits com quatro núcleos, oferecendo máxima flexibilidade e adaptabilidade, permitindo que os projetistas continuem inovando e evoluindo seus projetos sem precisar começar do zero com componentes específicos para cada aplicação.
O futuro da computação na borda
À medida que o número de dispositivos conectados cresce, as limitações da computação em nuvem tornam-se mais evidentes. Latência, largura de banda e preocupações com segurança tornam impraticável enviar todos os fluxos de dados de sensores para um servidor central. Processar os dados mais próximo da fonte — por exemplo, em um veículo, em uma fábrica ou em um dispositivo portátil — oferece tempos de resposta mais rápidos e maior controle sobre informações sensíveis.
Com os avanços em inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina, os sistemas de borda agora conseguem realizar mais análises localmente, em vez de depender de infraestrutura remota. Isso melhora a privacidade e a confiabilidade, além de reduzir o custo de movimentar grandes volumes de dados. Setores como saúde, manufatura e transporte já estão colhendo esses benefícios.
Para os engenheiros, a questão é como levar essa capacidade para produtos de alto volume sem aumentar os custos ou o consumo de energia. É nesse ponto que os FPGAs PolarFire Core da Microchip se destacam, oferecendo desempenho eficiente em termos de energia e custo para aplicações de borda que exigem resultados consistentes sem a sobrecarga de um processador de alto desempenho.
Fontes
[1] https://www.automotiveworld.com/special-reports/vehicle-sensing-and-monitoring-systems
[2] https://globalventuring.com/corporate/automotive-sensors-market-overview
Artigo escrito por Alex Pluemer e publicado no blog da Mouser Electronics: Why FPGAs Are Moving Beyond the Data Center to the Edge
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
