Embedded-Systeme FPGAs helfen Entwicklern bei KI und Robotik

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In der sich rasant entwickelnden Welt der künstlichen Intelligenz und der Robotik ist es entscheidend, Anwendungen zukunftssicher zu gestalten. Wie dies gelingt, verrät dieser Beitrag.

Die Entscheidung für einen SoC (System-on-Chip) bedeutet heutzutage allzu oft, darauf zu setzen, dass ein Roboter in zwei Jahren keine andere Kameraschnittstelle, kein schnelleres KI-Modell und keine zusätzliche Motorachse benötigen wird. Altera will diesen Kreislauf durchbrechen - mit Hardware, die Produktteams als anpassbare Ebene in der Systemarchitektur nutzen können.

Ein Roboter, der mit einer Kamera, einem KI-Modell oder einer festen Anzahl von Bewegungsachsen in die Produktion geht, muss möglicherweise später - noch vor der nächsten Produktgeneration - neue Sensoren, eine schnellere Inferenz, geringere Latenzzeiten oder zusätzliche Sicherheitsanforderungen unterstützen. Damit ist die Wahl der Architektur mehr als nur eine Hardware-Entscheidung; sie wird zu einer Möglichkeit, Spielraum für Veränderungen zu bewahren. Die erfolgreichsten Roboterkonzepte werden diejenigen sein, die sich durch eine umfassendere Wahrnehmung, eine schnellere Motorsteuerung und eine autonomere Entscheidungsfindung auszeichnen.

Die FPGA-SoCs für die Robotik von Altera bieten eine anpassungsfähige Rechenplattform, die Produktteams entsprechend den sich ändernden Anforderungen an KI-Modelle, Sensoren und Automatisierung weiterentwickeln können. Anstatt Produktdesigner an eine starre Architektur zu binden, bieten sie Spielraum, um die Leistung zu optimieren, Schnittstellen hinzuzufügen und im Laufe der Zeit auf neue Systemanforderungen zu reagieren.

Der „Robotic Solutions Stack“ von Altera soll diesen Integrationsaufwand verringern, indem er FPGA-Hardwareplattformen, Software, IP und Designressourcen für die Robotikentwicklung zusammenführt. Er bietet ein Ökosystem, das skalierbare KI-Beschleunigung, konsolidierte Robotersteuerung, mehrachsige Motorsteuerung (Drive-on-Chip) und Unterstützung für funktionale Sicherheit umfasst und Produktentwicklern damit eine umfassendere Ausgangsbasis für Systeme bietet, die sich im Laufe der Zeit anpassen müssen. So können Entwickler Zeit beim Zusammenbau der Teile sparen und sich stattdessen mehr darauf konzentrieren, was den Roboter leistungsfähig macht, wie er sich anpasst und wie er skaliert werden kann.

Das modulare Entwicklungskit DK-A5E065AB32AEA mit einer Agilex-5-Komponente der E-Serie 065B (Bild 1) veranschaulicht diese Flexibilität für praktische Robotikanwendungen und bietet eine vollständige Hardware- und Software-Entwicklungsplattform, die Entwicklern dabei hilft, KI, Steuerung und Echtzeitreaktion auf einer einzigen Plattform zu vereinen. Das Kit vereint ein SoC-FPGA der Agilex-5-E-Serie mit integrierten Arm-Prozessoren, Highspeed-Vernetzung, DDR4-Speicher und modularen Erweiterungsmöglichkeiten.

Altera bietet außerdem Entwicklungskits der Agilex-3-C-Serie an, wie beispielsweise das Modell DK-A3W135BM16AEA (Bild 2). Zusammen bieten die Plattformen der Agilex-3-C-Serie und der Agilex-5-E-Serie Entwicklern FPGA-Optionen, die von kostenoptimierten Edge-Designs bis hin zu leistungsstärkeren Anwendungen in den Bereichen Robotik, KI und Industrie reichen.

Berücksichtigung mehrerer Designziele

Die Auswahl der Plattform ist wichtig, da nicht jedes Robotikprogramm vom gleichen Ausgangspunkt entwickelt wird. Manche Teams optimieren möglicherweise für den Einsatz am Netzwerkrand (Edge), während andere mehr Rechenleistung für Wahrnehmung, koordinierte Bewegungen oder industrielle Vernetzung benötigen. Die Auswahl aus mehreren FPGA-Plattformen hilft Entwicklern dabei, die Architektur an das Produkt anzupassen, anstatt das Produkt an einen einzigen Rechenansatz anzupassen.

Diese Plattformentscheidungen deuten auf einen umfassenderen Wandel in der Art und Weise hin, wie Robotersysteme konzipiert werden könnten. Im Rahmen der von Altera als „FPGAi“-Vision bezeichneten Strategie sollen diese Plattformen programmierbare Logik und KI näher zusammenbringen, damit Entwickler Intelligenz dort einbinden können, wo sie am besten passt, ohne dabei die Flexibilität für zukünftige Weiterentwicklungen aufzugeben. Das Ziel besteht darin, Konzepte zu ermöglichen, die sich an veränderte Arbeitslasten anpassen können.

Diese Flexibilität spiegelt sich auch in Alteras „Drive-on-Chip“-Konzept wider, bei dem Agilex-5-Bausteine eingesetzt werden, um Motorsteuerungs- und Sicherheitsfunktionen im FPGA näher zusammenzuführen. Anstatt Logik, Sicherheit und Antriebssteuerung auf mehrere Hutschienen-Komponenten zu verteilen, können Entwickler einen größeren Teil des Systems auf einem Chip zusammenfassen, was zu einer geringeren Baugröße, einer vereinfachten Integration und einer schnelleren Echtzeit-Reaktion führt.

Robotikplattformen entwickeln sich nach ihrer Markteinführung häufig weiter. Ein Entwurf muss möglicherweise an eine andere Werksanordnung angepasst, für ein neues Wahrnehmungsmodell aktualisiert oder an eine andere Nutzlast oder ein anderes Bewegungsprofil angepasst werden. Da FPGA-basierte Systeme mehr Flexibilität in der Rechenarchitektur bieten, können sie Teams dabei unterstützen, auf diese Veränderungen zu reagieren, ohne auf der Schaltungsebene von vorne beginnen zu müssen.

Für Produktentwickler liegt der Reiz nicht nur in der höheren Rechenleistung, sondern auch in der Gestaltungsfreiheit über den gesamten Lebenszyklus des Roboters hinweg. Eine Plattform, die sich an neue Sensoren, aktualisierte KI-Modelle, zusätzliche Bewegungsachsen oder sich ändernde Sicherheitsanforderungen anpassen lässt, kann Teams dabei helfen, das Risiko von Neukonstruktionen zu verringern und die Nutzbarkeit ihrer Architektur über mehrere Produktgenerationen hinweg zu verlängern.

Fazit

Altera-FPGA-SoCs, unterstützt durch den „Robotics Solutions Stack“ und Drive-on-Chip, bieten Teams die Möglichkeit, Systeme zu entwickeln, die schnell, deterministisch und anpassungsfähig genug sind, um mit den sich wandelnden Anforderungen der Robotik Schritt zu halten. (mk)

* Rolf Horn ist Applications Engineer bei DigiKey.

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