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分散型異種処理によりFPGA向けの新しいアプリケーションが実現

Distributed-Heterogeneous-Processing
Posted 12/20/2016 by Abdullah Raouf

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ますます増える低コストセンサ、高性能のI/Oインターフェースへの移行、そして“オールウェイズオン、オールウェイズアウェア”機能への需要はすべて、バッテリ駆動のモバイルデバイスの設計者にとって困難になっています。電話やドローン、ウェアラブルや産業機器まであらゆるものを構築しているエンジニアも同じ問題に直面しています。顧客のニーズである、より長いバッテリー寿命を実現するためにシステム電力を削減しながら、どのようにして短時間で大容量のデータを処理することができるでしょうか?

伝統的なCPU中心の設計論を捨て、設計者は様々なプロセッサとセンサを今日のシステムで最大限利用し、高度な計算要件を満たしながらエネルギーの効率を最大限にするべきだと気づき始めました。そのために、設計者は分散型異種処理(DHP)アーキテクチャへと移行しています。

分散型異種処理(DHP)とは?

DHPは、クラウドの計算アルゴリズムではなく、ローカルな異種プロセッサを使って複雑なコプロセッサ向けのニーズを満たします。この新しいストラテジーは、DSP内蔵の電力効率の良いFPGAで数値処理タスクを繰り返し実行することで、電力消費量の多いアプリケーションプロセッサ(AP)の計算負荷を軽減し、スリープモードを長くしバッテリ寿命を延ばします。

DHP技術の採用は、さらに多くの利点を提供します。まず、さまざまな新しいFPGAアプリケーションと新世代のFPGA向けに、より多くのメモリリソース、広範な計算機能、およびこれらの機能を低消費電力で提供する機能を提供します。最新のiCE40 UltraPlusデバイスは、従来のデバイスで8倍のメモリと2倍のDSPを提供し、静的電力モードではわずか75μAの消費です。いくつかの可能な使用例を見てみましょう。

感知・検出アクセラレーション

これらの新しいアプリケーションの1つの例は、モバイルデバイスでのウェイクアッププロセスです。ますます多くのバッテリ駆動機器で、APがスリープモード中でも可能な限り、検知および検出アクセラレーションを実行する常時オンセンサバッファが搭載されています。

通常、これらのシステムは、APを起動させるために、ダブルタップまたは「振動で起動」機能、または指紋、ジェスチャーまたはアイスキャン技術を使用します。しばしば、これらのシステムは2段階プロセスを採用します。最初に、システムは起動アクションが発生したかどうかを判断し、次に指紋、ジェスチャーまたはアイスキャンが正確であるかどうかを決定します。

最近まで、設計者はセンサーとAPの間に設置された小さなFPGAを使用して、指紋の提示などの起動操作がいつ発生したかを検出していました。アクションが確認されると、FPGAは指紋が正しいかどうか評価するためにAPを起動します。大規模なメモリとiCE40 UltraPlus FPGAの追加の計算機能により、設計者は両方のウェイクアップ処理機能を同時に実行できるようになり、APをスリープモードのまま延長することができます。

高性能のオーディオ処理

音響ビームフォーミングがFPGA向けの新しいアプリケーションを提供します。この機能をサポートするため、アプリケーションは騒がしい環境でも特定の音響信号を識別する高レベルのオーディオ処理が必要です。しかし、どのようにシステムは、複数人が会話をする中で一人の命令を検出することができるのでしょうか?

ビームフォーミング技術は複数のマイクロフォンアレイを使って雑音の中で特定の音声を識別できます。今日の市場での、多くの主力製品はビームフォーミング機能を採用し、複数のマイクロフォンを使い他の音声や雑音からユーザーの声を区別します。しかし、市場のほとんどのAPは2つのマイクの使用のみサポートするように設計されています。このタスクを達成するため、設計者はバッテリの消耗なく最大7つのマイクを使って24時間起動をする必要があります。 

このようなタスクを達成するため、設計者はマイクロフォンアレイをiCE40 UltraPlus FPGAに接続して音響プロセッサを備えたFPGAインターフェースを持つことができます。FPGA上の積和演算(MAC)ブロックはPDMのデシメーションとフィルタリングに使用され、FPGAのディープメモリはマイクロフォンの遅延ラインをサポートできます。また、これにより、設計者はオンチップMACを使用してシステムをカスタマイズし、非常に柔軟なビーム形成フィルタ、ノイズキャンセルシステム、またはイコライゼーション機能を構築することができます。

iCE40 UltraPlusは上記以外にも様々なソリューションが可能です。詳細は下のリンクをご覧ください。

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