芯耀
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作者 |??ZeR0，編輯?|??漠影
面向成本敏感型邊緣應用，加快設計高能效量產就緒型解決方案。
智東西9月19日報道，剛剛，AMD宣布面向工業(yè)和商業(yè)的邊緣應用，推出重磅新品AMD Kria K24系統(tǒng)級模塊（SOM），并同步發(fā)布與K24 SOM配套的KD240驅動器入門套件。
這是Kria系列自適應SOM及開發(fā)者套件產品組合的最新力作。相比AMD的消費級芯片、服務器芯片，“系統(tǒng)級模塊”可能相對不那么耳熟而詳，這是AMD近年來一直在布局的一步重棋——對于一些有業(yè)務門檻的市場，如果客戶想根據業(yè)務來設計自家芯片，那么系統(tǒng)模塊會是一種更高效的選擇，能夠顯著降低設計門檻。
作為小尺寸嵌入式板卡級設計，K24 SOMl可直接插入最終產品進行部署。值得一提的是，借助InFO封裝技術，AMD將Kria K24 SOM的尺寸縮至只有信用卡一半大小，同時功耗也是連接器相兼容的更大尺寸Kria K26 SOM的一半。
據AMD工業(yè)、視覺、醫(yī)療與科學高級總監(jiān)Chetan Khona在媒體溝通會上分享，目前全球只有兩家公司獲得了這樣的技術。
尤其在工業(yè)、醫(yī)療設備等大量依賴電力的場景，作為各種電器或機械動力源的電機，是最常見且最關鍵的設備之一。而K24 SOM能夠支持下圖所示所有類型的電機，包括最受歡迎的無刷直流電機，以及無刷直流電機中最有名的伺服電機。
Chetan Khona告訴智東西，在工業(yè)物聯網時代，經常需要多項任務同時進行，電機控制系統(tǒng)也需同時處理多軸，而Kria產品的一大優(yōu)勢便是能將多軸集成，以此來控制成本。
其他優(yōu)勢還包括低功耗、低時延、高確定性等，這使得K24 SOM能夠在需要密集數字信號處理和傳感融合的應用場景中大展身手，出色地應對DSP相關應用以及與之相配套適應的設計流程。
01.大降工業(yè)能耗與電力成本?AMD甩出系統(tǒng)模塊妙招
機器人開發(fā)常被稱為系統(tǒng)集成的藝術，這是因為其開發(fā)非常復雜，開發(fā)者很難自己開發(fā)所有要素，經常需要使用一些預購器件和元素。也正因此，無論是工廠自動化機器人、倉儲機器人還是其他工業(yè)機器人，都是Kria SOM能夠發(fā)揮核心優(yōu)勢的核心應用場景之一。
在工業(yè)場景，電機正源源不斷地帶來了驚人的用電量——根據國際能源署調查，電機足足消耗了全球工業(yè)能源總用量的約2/3。
要將扭矩、速度及應變速達到最大，同時使能耗降到最低，離不開電機驅動系統(tǒng)。在迫在眉睫的節(jié)能減排之下，如何從電機驅動系統(tǒng)來優(yōu)化復雜電機的控制系統(tǒng)以及控制電機的電度，已經日漸成為控制用電量的一項焦點議題。
Kria K24 SOM，便是AMD交出的最新答卷。
電機驅動系統(tǒng)有三要素：驅動器、電子電力器件、電機。電機本身一般是帶磁的；有些電機是和驅動放在一起的，和電子電力器件是分開的；也有一些小的伺服電機，把所有的三個部分都放在一起，形成一個單元。而K24 SOM非常靈活，能夠支持所有的布局。
在工業(yè)4.0時代，電機控制系統(tǒng)的職能不僅是控制電機這么簡單。如果微控制器（MCU）只是控制一個單軸的電機，它能夠不錯地完成。但工業(yè)物聯網的大環(huán)境中，經常有多項任務需要同時進行，電機控制系統(tǒng)也需要處理很多的軸，還要顧及功能安全、網絡安全、人工智能（AI）、預測性維護等等。
面臨這些復雜的需求，MCU就撐不住了。相比之下，集成了自適應計算技術的K24 SOM不僅具備將多軸集成的優(yōu)勢，還能夠支持以上所述的所有功能，能夠提供適應多類應用的靈活性。
K24 SOM提供了高水平確定性和低時延，適合為邊緣端計算密集型數字信號處理（DSP）應用中的電氣傳動和電機控制器供電。用戶可以用它來降低能耗、增加扭矩及優(yōu)化其它性能，以及進行預測性維護和OTA、降低噪音和震動，提升電機的生命周期。
不止是工業(yè)機器人，從公共交通、電動汽車充電站到其他發(fā)電系統(tǒng)，從手術機器人、磁共振成像（MRI）床體等醫(yī)療設備到農業(yè)空中系統(tǒng)，電機無處不在，并涉及到密集的數字信號處理以及器件上采集數據的融合，這些都給K24 SOM帶來了巨大的市場需求。
02.以小尺寸提供高能效計算?支持運行深度學習AI推理
Kria K24 SOM是一個基于Arm處理器系統(tǒng)的可編程邏輯器件（FPGA），提供工業(yè)和商業(yè)兩種版本，專為10年工業(yè)生命周期而打造。除了支持擴展的溫度范圍，工業(yè)級SOM還包括用于高可靠性系統(tǒng)的具有ECC保護的LPDDR4內存。
新推出的K24 SOM是之前的K26 SOM的補充，基于同樣的Zynq UltraScale+ MPSoC架構，同樣內置A53四核和雙R5F處理器，連接器與K26 SOM兼容。這樣設計的好處是具備可擴展性，可以實現K24 SOM和K26 SOM之間無縫遷移，而不需要讓客戶更換板卡。
相比K26 SOM，K24 SOM對于關注小尺寸、低功耗、低成本的需求是更理想的選擇。
由于采用了集成扇出（InFO，Integrated Fan-Out）封裝技術，實現了更小型封裝MPSoC器件，K24 SOM更加緊湊，尺寸只有信用卡大小的一半，與此同時，功耗也是連接器相兼容的更大尺寸Kria K26 SOM的一半。K24 SOM采用的MPSoC架構，在提供多功能性和自適應計算能力的基礎上實現了混合關鍵性，即可以輕易控制不同任務間的優(yōu)先級，也可以通過使用MPSoC來確保功能安全性，提升網絡安全，還內置有人機界面（HMI）。
可編程的I/O接口使其能與環(huán)境、方向、視覺等傳感器進行連接。K24 SOM能夠支持從EtherCAT到TSN的40多種工業(yè)互聯網標準，并支持最新的22.04 Ubuntu OS，I/O接口數量比K26 SOM少，LPDDR數量是K26的一半。工業(yè)級K24 SOM的2GB LPDDR4支持ECC內存，還支持AI推理深度神經網絡處理單元。
Chetan Khona告訴智東西，Kria SOM本身對AI的處理能力很強，但現階段會更側重于處理嵌入式應用中其他先進、復雜的任務。他也分享了生成式AI在工業(yè)場景的發(fā)展近況：當前生成式AI模型還沒有在工業(yè)場景中運用于嵌入式的應用，這類應用可能會隨著時間的推移在未來出現。
03.自適應技術四大優(yōu)勢加持，如何助攻電機實現最佳功效？
相比嵌入式計算中的其他架構，像FPGA這樣的自適應技術有四大優(yōu)勢：
第一，低時延。處理相同任務時，傳統(tǒng)DSP的處理方式動輒需要200個時鐘周期，而基于FPGA的自適應SoC是完全并行的，只需1個時鐘周期就能完成200次操作，所以能帶來時延優(yōu)勢。
第二，低功耗。相比傳統(tǒng)方式，FPGA的時鐘速度可以更慢，也更省電，200 MHz即可。
第三，靈活應變性。開發(fā)者可以在功耗、時間及時鐘速度方面進行取舍，即實現時分復用，例如能根據具體任務進行調整，不需要在1個時鐘周期內完全200次操作，只要在4個時鐘周期內進行200次操作。
第四，獨立性。如果是多訪問的電機控制應用，用一個電路來控制多個電機會稀釋性能，這時就更適合用FPGA硬件來控制回路。
Chetan Khona認為，要通過控制算法和控制流程的優(yōu)化來實現電機的最佳功效，僅靠控制電機的算法是不夠的。
首先要優(yōu)化電子電力器件材料，比如采用碳化硅、氮化鎵等等。這將有助于提升切換的速度，尤其是對DSP能力要求非常高的場景，在這種情況下使用K24 SOM能更好地提升能效。
其次，電子電力器件的顆粒度控制和速度至關重要，能夠提升電源響應、能源消耗等情況，K24 SOM相關技術也能夠解決這方面的問題。
第三，有電機控制算法方面的專業(yè)知識。AMD有兩個解決方案：一是正在建立自己的電機實驗室，二是和行業(yè)伙伴一起開發(fā)和完善生態(tài)系統(tǒng)，并以此提供一些電機控制的素材。
據Chetan Khona分享，在功能安全性方面，通過K24 SOM可以實現很多功能整合，無論是將兩個單芯片合成一個芯片，還是做電機的多種整合，都能在整個系統(tǒng)層面大幅降低能耗和成本。
04.搭配KD240驅動器入門套件簡化DSP開發(fā)并加速設計周期
與K24 SOM配套的KD240驅動器入門套件是一款價格399美元、基于FPGA的電機控制套件，其功耗大約在5到10瓦范疇，具體要看電機的負載情況。
該入門套件的主要特點是開箱即用，基于電機控制的開發(fā)平臺使用。開發(fā)者不需要具備FPGA編程專業(yè)知識，就能在等待客戶構建硬件期間，先用這個入門套件來進行K24 SOM的開發(fā)，如果是電機控制，不到1小時即可完成啟動過程，因此能讓開發(fā)者能更快介入開發(fā)流程，加快電機控制和DSP應用上市進程。
與其它基于處理器的控制套件相比，KD240支持開發(fā)人員在設計周期中更為成熟的節(jié)點入手，使入門級人員也能輕松使用。
AMD早先發(fā)布的KR260可以用于機器人的行動和傳動，KV260是視覺AI，可以用于攝像頭與系統(tǒng)中的視覺來輔助導航。而今日發(fā)布的KD240驅動器入門套件則可以看作是機器人的肌肉，用來控制機器人的行動和傳動。
KD240的大小和之前發(fā)布的入門套件相當，頂端有micro SD、多個USB、以太網、CAN的接口，右側和底部有跟電機、傳感器的連接接口，左下角是主要是用于擴展的Pmod。
通過推出KD240入門套件，AMD率先提供了預構建的電機控制應用，使用戶能夠創(chuàng)建可靠、可用且具有高級安全功能的高能效工業(yè)解決方案。KD240由可選的電機配件包（MACCP）提供支持，未來還將提供可單獨購買的附加電機套件，為開發(fā)人員帶來強化的加速體驗。
據悉，用于量產的商業(yè)版K24 SOM和KD240驅動器入門套件現在起直接可訂購，也可以通過全球渠道分銷商訂購。K24 SOM商業(yè)版、KD240電機配件包即日上市，工業(yè)版K24 SOM預計今年年底前供貨。
05.軟件開發(fā)門檻一降再降?不懂FPGA也能快速上手
在打造高性能和自適應產品方面，AMD為AI開發(fā)者、軟件開發(fā)人員、硬件開發(fā)人員持續(xù)降低開發(fā)門檻所做的種種努力，對于很多芯片企業(yè)來說都具有參考價值。
考慮到一些開發(fā)人員并沒有接觸過自適應計算，或者不熟悉FPGA設計流程，AMD Kira系列產品支持Python、MATLAB Simulink、ROS2、AI框架等非自適應計算的工具，并推出面向邊緣應用的應用商店（App Store），讓不具備傳統(tǒng)FPGA專業(yè)知識的客戶也能輕松上手。
K24 SOM能夠支持的范疇包括Python等語言、控制系統(tǒng)開發(fā)人員經常使用的MATLAB Simulink等常見的設計工具，PYNQ框架廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，并支持Ubuntu操作系統(tǒng)和Docker等引擎。軟件開發(fā)人員也可在使用AMD Vitis電機控制庫的同時，保持對傳統(tǒng)開發(fā)流程的支持。
其另一大特色在于應用商店，里面提供了很多的參考設計，方便用戶下載或參考，從KV260到KR260、KD240，AMD預計今年年底會有超過25款應用在這個應用商店里推出。
機器人公司Rev Robotics的首席執(zhí)行官Greg Needel對Kria SOM給予了高度評價：“借助Kria SOM，我們能夠簡化高級控制環(huán)路算法的開發(fā)，適應不斷變化的軟件與硬件需求，并為商業(yè)和STEM教育客戶構建真正炫酷的產品?！?/p>
Rev Robotics 2合1電機套件配件能幫助用戶實現不同的KD240設置，可制作一個簡易的機械臂，同時配備可選視覺AI的射球器，能和USB攝像頭進行連接，用AI幫助瞄準。該配件將在今年晚些時候問世。
06.結語：“互補性”布局+“組合拳”打法?橫掃工業(yè)及商業(yè)邊緣應用的多元需求
“AMD Kria K24 SOM和KD240開發(fā)平臺建立在Kria SOM產品組合帶來的突破性設計體驗之上，為機器人、控制、視覺AI和DSP應用提供了解決方案?！盇MD核心垂直市場副總裁Hanneke Krekels總結說，“系統(tǒng)架構師必須滿足日益增長的性能和能效需求，同時還要降低成本。K24 SOM能以小尺寸提供高每瓦性能，并將嵌入式處理系統(tǒng)的核心組件安裝在單塊量產就緒型板卡上，以加速上市進程?！?/p>
從Kria產品組合的布局可以看到，AMD并不急于迭代同類產品的迭代升級版本，而是更多基于互補原則，循序漸進地推出能夠通過組合拳滿足更廣泛應用需求的不同定位產品，包括三個入門套件以及K24 SOM和K26 SOM兩個量產型SOM。
無論是考慮多功能、易用性還是降低工業(yè)能耗，AMD最新推出的高能效K24 SOM都為電機控制及數字信號處理提供了一個優(yōu)異的解決方案。再加上其帶來的可擴展特征，有望在整個Kria產品組合產生一個重塑效應，進而為工業(yè)及商業(yè)邊緣應用產生的多元化需求提供更適配的支撐。
