機(jī)器人降本增效福音！AMD甩出系統(tǒng)模塊利器，大降能耗成本，新手也能速成

作者 |??ZeR0，編輯?|??漠影

面向成本敏感型邊緣應(yīng)用，加快設(shè)計(jì)高能效量產(chǎn)就緒型解決方案。

智東西9月19日?qǐng)?bào)道，剛剛，AMD宣布面向工業(yè)和商業(yè)的邊緣應(yīng)用，推出重磅新品AMD Kria K24系統(tǒng)級(jí)模塊（SOM），并同步發(fā)布與K24 SOM配套的KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件。

這是Kria系列自適應(yīng)SOM及開發(fā)者套件產(chǎn)品組合的最新力作。相比AMD的消費(fèi)級(jí)芯片、服務(wù)器芯片，“系統(tǒng)級(jí)模塊”可能相對(duì)不那么耳熟而詳，這是AMD近年來一直在布局的一步重棋——對(duì)于一些有業(yè)務(wù)門檻的市場，如果客戶想根據(jù)業(yè)務(wù)來設(shè)計(jì)自家芯片，那么系統(tǒng)模塊會(huì)是一種更高效的選擇，能夠顯著降低設(shè)計(jì)門檻。

作為小尺寸嵌入式板卡級(jí)設(shè)計(jì)，K24 SOMl可直接插入最終產(chǎn)品進(jìn)行部署。值得一提的是，借助InFO封裝技術(shù)，AMD將Kria K24 SOM的尺寸縮至只有信用卡一半大小，同時(shí)功耗也是連接器相兼容的更大尺寸Kria K26 SOM的一半。

據(jù)AMD工業(yè)、視覺、醫(yī)療與科學(xué)高級(jí)總監(jiān)Chetan Khona在媒體溝通會(huì)上分享，目前全球只有兩家公司獲得了這樣的技術(shù)。

尤其在工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等大量依賴電力的場景，作為各種電器或機(jī)械動(dòng)力源的電機(jī)，是最常見且最關(guān)鍵的設(shè)備之一。而K24 SOM能夠支持下圖所示所有類型的電機(jī)，包括最受歡迎的無刷直流電機(jī)，以及無刷直流電機(jī)中最有名的伺服電機(jī)。

Chetan Khona告訴智東西，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，經(jīng)常需要多項(xiàng)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行，電機(jī)控制系統(tǒng)也需同時(shí)處理多軸，而Kria產(chǎn)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(shí)延、高確定性等，這使得K24 SOM能夠在需要密集數(shù)字信號(hào)處理和傳感融合的應(yīng)用場景中大展身手，出色地應(yīng)對(duì)DSP相關(guān)應(yīng)用以及與之相配套適應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jī)器人開發(fā)常被稱為系統(tǒng)集成的藝術(shù)，這是因?yàn)槠溟_發(fā)非常復(fù)雜，開發(fā)者很難自己開發(fā)所有要素，經(jīng)常需要使用一些預(yù)購器件和元素。也正因此，無論是工廠自動(dòng)化機(jī)器人、倉儲(chǔ)機(jī)器人還是其他工業(yè)機(jī)器人，都是Kria SOM能夠發(fā)揮核心優(yōu)勢的核心應(yīng)用場景之一。

在工業(yè)場景，電機(jī)正源源不斷地帶來了驚人的用電量——根據(jù)國際能源署調(diào)查，電機(jī)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(yīng)變速達(dá)到最大，同時(shí)使能耗降到最低，離不開電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在迫在眉睫的節(jié)能減排之下，如何從電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來優(yōu)化復(fù)雜電機(jī)的控制系統(tǒng)以及控制電機(jī)的電度，已經(jīng)日漸成為控制用電量的一項(xiàng)焦點(diǎn)議題。

Kria K24 SOM，便是AMD交出的最新答卷。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有三要素：驅(qū)動(dòng)器、電子電力器件、電機(jī)。電機(jī)本身一般是帶磁的；有些電機(jī)是和驅(qū)動(dòng)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(jī)，把所有的三個(gè)部分都放在一起，形成一個(gè)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(shí)代，電機(jī)控制系統(tǒng)的職能不僅是控制電機(jī)這么簡單。如果微控制器（MCU）只是控制一個(gè)單軸的電機(jī)，它能夠不錯(cuò)地完成。但工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境中，經(jīng)常有多項(xiàng)任務(wù)需要同時(shí)進(jìn)行，電機(jī)控制系統(tǒng)也需要處理很多的軸，還要顧及功能安全、網(wǎng)絡(luò)安全、人工智能（AI）、預(yù)測性維護(hù)等等。

面臨這些復(fù)雜的需求，MCU就撐不住了。相比之下，集成了自適應(yīng)計(jì)算技術(shù)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(yīng)多類應(yīng)用的靈活性。

K24 SOM提供了高水平確定性和低時(shí)延，適合為邊緣端計(jì)算密集型數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用中的電氣傳動(dòng)和電機(jī)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(jìn)行預(yù)測性維護(hù)和OTA、降低噪音和震動(dòng)，提升電機(jī)的生命周期。

不止是工業(yè)機(jī)器人，從公共交通、電動(dòng)汽車充電站到其他發(fā)電系統(tǒng)，從手術(shù)機(jī)器人、磁共振成像（MRI）床體等醫(yī)療設(shè)備到農(nóng)業(yè)空中系統(tǒng)，電機(jī)無處不在，并涉及到密集的數(shù)字信號(hào)處理以及器件上采集數(shù)據(jù)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(jì)算?支持運(yùn)行深度學(xué)習(xí)AI推理

Kria K24 SOM是一個(gè)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?jǐn)U展的溫度范圍，工業(yè)級(jí)SOM還包括用于高可靠性系統(tǒng)的具有ECC保護(hù)的LPDDR4內(nèi)存。

新推出的K24 SOM是之前的K26 SOM的補(bǔ)充，基于同樣的Zynq UltraScale+ MPSoC架構(gòu)，同樣內(nèi)置A53四核和雙R5F處理器，連接器與K26 SOM兼容。這樣設(shè)計(jì)的好處是具備可擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)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(duì)于關(guān)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(shù)，實(shí)現(xiàn)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(shí)，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(gòu)，在提供多功能性和自適應(yīng)計(jì)算能力的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了混合關(guān)鍵性，即可以輕易控制不同任務(wù)間的優(yōu)先級(jí)，也可以通過使用MPSoC來確保功能安全性，提升網(wǎng)絡(luò)安全，還內(nèi)置有人機(jī)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(jìn)行連接。K24 SOM能夠支持從EtherCAT到TSN的40多種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并支持最新的22.04 Ubuntu OS，I/O接口數(shù)量比K26 SOM少，LPDDR數(shù)量是K26的一半。工業(yè)級(jí)K24 SOM的2GB LPDDR4支持ECC內(nèi)存，還支持AI推理深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元。

Chetan Khona告訴智東西，Kria SOM本身對(duì)AI的處理能力很強(qiáng)，但現(xiàn)階段會(huì)更側(cè)重于處理嵌入式應(yīng)用中其他先進(jìn)、復(fù)雜的任務(wù)。他也分享了生成式AI在工業(yè)場景的發(fā)展近況：當(dāng)前生成式AI模型還沒有在工業(yè)場景中運(yùn)用于嵌入式的應(yīng)用，這類應(yīng)用可能會(huì)隨著時(shí)間的推移在未來出現(xiàn)。

03.自適應(yīng)技術(shù)四大優(yōu)勢加持，如何助攻電機(jī)實(shí)現(xiàn)最佳功效？

相比嵌入式計(jì)算中的其他架構(gòu)，像FPGA這樣的自適應(yīng)技術(shù)有四大優(yōu)勢：

第一，低時(shí)延。處理相同任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)DSP的處理方式動(dòng)輒需要200個(gè)時(shí)鐘周期，而基于FPGA的自適應(yīng)SoC是完全并行的，只需1個(gè)時(shí)鐘周期就能完成200次操作，所以能帶來時(shí)延優(yōu)勢。

第二，低功耗。相比傳統(tǒng)方式，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘速度可以更慢，也更省電，200 MHz即可。

第三，靈活應(yīng)變性。開發(fā)者可以在功耗、時(shí)間及時(shí)鐘速度方面進(jìn)行取舍，即實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用，例如能根據(jù)具體任務(wù)進(jìn)行調(diào)整，不需要在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完全200次操作，只要在4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行200次操作。

第四，獨(dú)立性。如果是多訪問的電機(jī)控制應(yīng)用，用一個(gè)電路來控制多個(gè)電機(jī)會(huì)稀釋性能，這時(shí)就更適合用FPGA硬件來控制回路。

Chetan Khona認(rèn)為，要通過控制算法和控制流程的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最佳功效，僅靠控制電機(jī)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(duì)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(guān)重要，能夠提升電源響應(yīng)、能源消耗等情況，K24 SOM相關(guān)技術(shù)也能夠解決這方面的問題。

第三，有電機(jī)控制算法方面的專業(yè)知識(shí)。AMD有兩個(gè)解決方案：一是正在建立自己的電機(jī)實(shí)驗(yàn)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(jī)控制的素材。

據(jù)Chetan Khona分享，在功能安全性方面，通過K24 SOM可以實(shí)現(xiàn)很多功能整合，無論是將兩個(gè)單芯片合成一個(gè)芯片，還是做電機(jī)的多種整合，都能在整個(gè)系統(tǒng)層面大幅降低能耗和成本。

04.搭配KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件簡化DSP開發(fā)并加速設(shè)計(jì)周期

與K24 SOM配套的KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件是一款價(jià)格399美元、基于FPGA的電機(jī)控制套件，其功耗大約在5到10瓦范疇，具體要看電機(jī)的負(fù)載情況。

該入門套件的主要特點(diǎn)是開箱即用，基于電機(jī)控制的開發(fā)平臺(tái)使用。開發(fā)者不需要具備FPGA編程專業(yè)知識(shí)，就能在等待客戶構(gòu)建硬件期間，先用這個(gè)入門套件來進(jìn)行K24 SOM的開發(fā)，如果是電機(jī)控制，不到1小時(shí)即可完成啟動(dòng)過程，因此能讓開發(fā)者能更快介入開發(fā)流程，加快電機(jī)控制和DSP應(yīng)用上市進(jìn)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(shè)計(jì)周期中更為成熟的節(jié)點(diǎn)入手，使入門級(jí)人員也能輕松使用。

AMD早先發(fā)布的KR260可以用于機(jī)器人的行動(dòng)和傳動(dòng)，KV260是視覺AI，可以用于攝像頭與系統(tǒng)中的視覺來輔助導(dǎo)航。而今日發(fā)布的KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件則可以看作是機(jī)器人的肌肉，用來控制機(jī)器人的行動(dòng)和傳動(dòng)。

KD240的大小和之前發(fā)布的入門套件相當(dāng)，頂端有micro SD、多個(gè)USB、以太網(wǎng)、CAN的接口，右側(cè)和底部有跟電機(jī)、傳感器的連接接口，左下角是主要是用于擴(kuò)展的Pmod。

通過推出KD240入門套件，AMD率先提供了預(yù)構(gòu)建的電機(jī)控制應(yīng)用，使用戶能夠創(chuàng)建可靠、可用且具有高級(jí)安全功能的高能效工業(yè)解決方案。KD240由可選的電機(jī)配件包（MACCP）提供支持，未來還將提供可單獨(dú)購買的附加電機(jī)套件，為開發(fā)人員帶來強(qiáng)化的加速體驗(yàn)。

據(jù)悉，用于量產(chǎn)的商業(yè)版K24 SOM和KD240驅(qū)動(dòng)器入門套件現(xiàn)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(jī)配件包即日上市，工業(yè)版K24 SOM預(yù)計(jì)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(yīng)產(chǎn)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(duì)于很多芯片企業(yè)來說都具有參考價(jià)值。

考慮到一些開發(fā)人員并沒有接觸過自適應(yīng)計(jì)算，或者不熟悉FPGA設(shè)計(jì)流程，AMD Kira系列產(chǎn)品支持Python、MATLAB Simulink、ROS2、AI框架等非自適應(yīng)計(jì)算的工具，并推出面向邊緣應(yīng)用的應(yīng)用商店（App Store），讓不具備傳統(tǒng)FPGA專業(yè)知識(shí)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(jīng)常使用的MATLAB Simulink等常見的設(shè)計(jì)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(jī)控制庫的同時(shí)，保持對(duì)傳統(tǒng)開發(fā)流程的支持。

其另一大特色在于應(yīng)用商店，里面提供了很多的參考設(shè)計(jì)，方便用戶下載或參考，從KV260到KR260、KD240，AMD預(yù)計(jì)今年年底會(huì)有超過25款應(yīng)用在這個(gè)應(yīng)用商店里推出。

機(jī)器人公司Rev Robotics的首席執(zhí)行官Greg Needel對(duì)Kria SOM給予了高度評(píng)價(jià)：“借助Kria SOM，我們能夠簡化高級(jí)控制環(huán)路算法的開發(fā)，適應(yīng)不斷變化的軟件與硬件需求，并為商業(yè)和STEM教育客戶構(gòu)建真正炫酷的產(chǎn)品?！?/p>

Rev Robotics 2合1電機(jī)套件配件能幫助用戶實(shí)現(xiàn)不同的KD240設(shè)置，可制作一個(gè)簡易的機(jī)械臂，同時(shí)配備可選視覺AI的射球器，能和USB攝像頭進(jìn)行連接，用AI幫助瞄準(zhǔn)。該配件將在今年晚些時(shí)候問世。

06.結(jié)語：“互補(bǔ)性”布局+“組合拳”打法?橫掃工業(yè)及商業(yè)邊緣應(yīng)用的多元需求

“AMD Kria K24 SOM和KD240開發(fā)平臺(tái)建立在Kria SOM產(chǎn)品組合帶來的突破性設(shè)計(jì)體驗(yàn)之上，為機(jī)器人、控制、視覺AI和DSP應(yīng)用提供了解決方案?！盇MD核心垂直市場副總裁Hanneke Krekels總結(jié)說，“系統(tǒng)架構(gòu)師必須滿足日益增長的性能和能效需求，同時(shí)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(chǎn)就緒型板卡上，以加速上市進(jìn)程?！?/p>

從Kria產(chǎn)品組合的布局可以看到，AMD并不急于迭代同類產(chǎn)品的迭代升級(jí)版本，而是更多基于互補(bǔ)原則，循序漸進(jìn)地推出能夠通過組合拳滿足更廣泛應(yīng)用需求的不同定位產(chǎn)品，包括三個(gè)入門套件以及K24 SOM和K26 SOM兩個(gè)量產(chǎn)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(jī)控制及數(shù)字信號(hào)處理提供了一個(gè)優(yōu)異的解決方案。再加上其帶來的可擴(kuò)展特征，有望在整個(gè)Kria產(chǎn)品組合產(chǎn)生一個(gè)重塑效應(yīng)，進(jìn)而為工業(yè)及商業(yè)邊緣應(yīng)用產(chǎn)生的多元化需求提供更適配的支撐。