Wie programmierbare SoCs Leistung und Flexibiliät für KI vereinen

| Redakteur: Margit Kuther

Das erweiterte SmartFusion2 von Microsemi: Erleichtert Entwicklungen
Das erweiterte SmartFusion2 von Microsemi: Erleichtert Entwicklungen (Bild: Digi-Key)

Zwar ist die Halbleitertechnologie die Basis aller elektronischen Produkte, aber es ist die Software, die unsere moderne Welt, etwa Künstliche Intelligenz, erst möglich macht.

Heutzutage wird etwa 70% der Funktionalität eines Produkts durch eingebettete Software bereitgestellt, und dies fast ausschließlich aufgrund ihrer Flexibilität. Da die Leistungsgrenzen durch Anwendungen ständig nach oben verschoben werden, wird dieses Ungleichgewicht zu einem einschränkenden Faktor.

Software ist letztlich die Implementierung einer Funktion in abstrakter Form, was aber unvermeidbare Kosten in Form von Ausführungszeit generiert. Wenn dieselbe Funktion in dedizierter Hardware auf Transistorebene implementiert wird, wird sie zwangsläufig schneller ausgeführt.

Dieser Leistungszuwachs wird normalerweise mit einem Flexibilitätsverlust erkauft. Das Gleichgewicht zwischen Leistung und Flexibilität wird durch Bausteine erleichtert, in denen drei Schlüsseltechnologien integriert sind: Prozessorkerne, feste Funktionen und konfigurierbare Hardware.

Hohe Leistung und optimierte Lösungen

Bausteine, in die diese drei Technologien integriert sind, werden als System-on-Chip (SoC) bezeichnet. Aufgrund ihrer Eigenschaften bieten sie eine größere Flexibilität als Bausteine mit festen Funktionen, sind besser konfigurierbar als ein Mikrocontroller und verfügen über mehr Funktionen als ein FPGA, da sie die Vorzüge dieser Merkmale auf einer einzigen Plattform vereinen. Dies ist eine gute Mischung für eine Anwendung.

Der wichtigste Grund ist Leistung, die entweder als Durchsatz oder als Echtzeit-Reaktion interpretiert werden könnte. Geringe Leistungsaufnahme und optimiertes Design könnte ein weiterer Grund sein. Je mehr Funktionen in einen einzigen Baustein integriert werden können, desto weniger externe Komponenten werden benötigt. Diese Szenarien decken die „Eckpunkte“ eines SoCs ab: das Liefern von reiner Leistung und die Bereitstellung eines optimierten Designs.

ASICs, FPGAs, SoCs

Wenn letztlich der Durchsatz das Ziel ist, so ist die von einem frei gestaltbaren Design in Form eines ASIC gebotene Leistung kaum zu schlagen. Da allerdings die nicht wiederkehrenden Kosten sinken, müssen die Entwicklungskosten für ein ASIC gegen den Preis pro Einheit aufgewogen werden, und diese Zahl wirkt sich nur bei großen Stückzahlen aus.

Die FPGA-Technologie hat die Branche lange mit ASIC-ähnlicher Leistung auf einer nach dem Verlassen des Werks konfigurierbaren Plattform versorgt. Bei der zugrunde liegenden Technologie wird spezialisierte Logik durch Lookup-Tabellen simuliert, aber es wurden immer fest verdrahtete Funktionen integriert – insbesondere dann, wenn es um Funktionen ging, die nur schwer durch Programmlogik emuliert werden können.

Dies führte in letzter Zeit dazu, dass Prozessor-Subsysteme einbezogen werden. Damit gehören diese Bausteine definitiv zur Kategorie SoC. Die FPGA-Branchenführer bieten Bausteine an, die die drei Schlüsselelemente eines SoC umfassen. Dazu gehört die Zynq-UltraScale+-Familie von Xilinx, die Bausteine anbietet, in denen Dual- oder Quad-ARM-Cortex-A53-Kerne mit ARM-Cortex-R5-Kernen gepaart sind.

Während diese Bausteine auf Anwendungen abzielen, die hohe Leistung fordern, gehören die SmartFusion2-Familie von SoC-FPGAs von Microsemi und die PSoC-5LP-Familie von Cypress Semiconductor zu den SoCs, die in die zweite Kategorie fallen.

In beiden ist ein ARM-Cortex-M3-Kern mit fest verdrahteten Funktionen und konfigurierbarer Hardware integriert. Die oben genannten Bausteine werden von Plattformen unterstützt, die sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene umfassenden Support für die Anwendungsentwicklung bieten.

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