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Les véhicules modernes sont truffés de capteurs destinés à la collecte de données, dont certaines doivent être traitées dans un délai minimal. Si on compte souvent plus de 70 capteurs en moyenne sur un véhicule standard, ce nombre explose dès qu’il s’agit d’un modèle haut de gamme équipé d’un système avancé d’aide à la conduite (ADAS). Parallèlement, sur les chaînes de production, les systèmes de vision et les robots doivent se coordonner en temps réel tout en respectant strictement les exigences imposées en matière de performance et de sécurité. Ces deux scénarios soulèvent un même défi : traiter de grandes quantités de données rapidement, de manière fiable et sécurisée, et au plus près des capteurs, c’est-à-dire en périphérie du réseau (edge).

Avec l’essor de l’informatique en périphérie (edge computing) et la multiplication des applications Internet des objets (IoT), un nombre croissant de systèmes et de cas d’usage exigent désormais un traitement rapide et fiable des données. Des applications telles que la fusion de capteurs, la vision artificielle et le traitement du signal en temps réel en imposent davantage aux microcontrôleurs (MCU) traditionnels et aux circuits intégrés à application spécifique (ASIC) que ce qu’ils peuvent offrir. Les circuits logiques programmables (FPGA) étaient autrefois jugés trop coûteux pour le traitement de grands volumes à l'edge, mais leur conception et leur mode de fabrication ont beaucoup évolué depuis. Plus économes en énergie et moins chers à produire qu’auparavant, les FPGA sont désormais considérés comme une alternative fiable pour ce type d’application.

Qu’il s’agisse d’une voiture qui traite les données de capteurs en temps réel, d’un système industriel qui coordonne des machines dans une chaîne de production ou d’un dispositif d’imagerie médicale qui doit également veiller à protéger la confidentialité des données concernant les patients, les applications edge actuelles doivent pouvoir livrer des performances constantes tout en affichant un niveau de sécurité élevé.

Efficaces, flexibles et économiques, les FPGA PolarFire^® Core de Microchip Technology offrent aux ingénieurs une solution pour satisfaire à ces exigences de performances et de sécurité. Avant de voir en quoi cette solution consiste, voyons d’abord les défis que pose l’informatique en périphérie.

Avantages des FPGA

La vitesse de traitement et la sécurité des données sont des priorités absolues dans de nombreuses applications d'edge computing. Dans les applications automobiles et manufacturières, la sécurité dépend directement d’un traitement ultrarapide des données. Pour les dispositifs médicaux qui collectent et transmettent des données patient, l’enjeu est de disposer d’une sécurité suffisamment robuste pour garantir la confidentialité de ces données.

Utilisés dans les dispositifs et applications en périphérie, les FPGA présentent deux avantages certains par rapport aux MCU et aux ASIC : leur coût abordable et leur adaptabilité. Les FPGA peuvent en effet être reprogrammés et reconfigurés. Cette flexibilité leur permet de s’adapter à de nouvelles exigences, par exemple un changement de ligne de production, l’intégration d’une mise à jour de sécurité ou le traitement d’un autre ensemble de données.

Les FPGA étaient autrefois trop chers pour être intégrés dans des conceptions en périphérie, en particulier quand il s’agissait de traiter de grands volumes de données, comme dans les secteurs automobile et médical. Depuis, leur conception inutilement complexe a été simplifiée et les FPGA actuels, qui conservent néanmoins leurs fonctionnalités essentielles, sont devenus bien plus économiques à mettre en œuvre.

Dans des appareils mobiles et des dispositifs portatifs, où l’utilisation de l’énergie est critique, les FPGA optimisés pour une faible consommation offrent une solution pertinente. Bien qu’ils n’affichent pas toujours le niveau d’un ASIC en termes de performances brutes, les FPGA s’avèrent toutefois suffisants pour de nombreuses applications edge qui n’exigent pas la puissance de calcul d’un superordinateur, mais qui ont davantage besoin de constance, d’efficacité et de capacité d’évolution.

Traitement à l'Edge

De nombreux secteurs industriels font désormais appel à l’informatique en périphérie de réseau (edge computing). Pour les FPGA, cela représente autant de nouveaux marchés où ils peuvent faire la démonstration de leur vitesse et de leur efficacité.

Dans les systèmes automobiles, les applications d’assistance et de conduite autonome s’appuient sur la fusion de capteurs pour collecter, analyser et traiter les données provenant de caméras, de radars et d’autres capteurs de proximité pour déterminer en temps réel quelle ligne de conduite adopter. Quant aux systèmes d’infodivertissement modernes qui gèrent l’audio, la climatisation et la navigation, ils doivent être capables de traiter rapidement les données tout en garantissant un niveau de sécurité élevé afin de préserver la confidentialité de données telles que les destinations fréquentes et l’historique de recherche.

Dans les usines de production, un processeur ou dispositif central est parfois nécessaire pour assurer la coordination des mouvements d’un ensemble de machines automatisées ou de robots mobiles et ainsi éviter les collisions ou les blocages. Dans ces cas de figure, les performances déterministes des FPGA contribuent à maintenir la fiabilité du système. La sécurité reste bien sûr un facteur critique : la moindre faille dans un système de contrôle industriel peut perturber la production ou causer des dommages coûteux.

Dans le secteur de la santé, l'edge computing trouve des applications dans les dispositifs destinés aux patients et dans les systèmes d’imagerie avancés. Les FPGA accélèrent notamment le traitement des images d’échographie et de tomodensitométrie (TDM), tout en conservant les données au sein du réseau hospitalier, conformément aux exigences de confidentialité. Pour les dispositifs médicaux portatifs, l’efficacité énergétique est tout aussi importante, car les praticiens ont besoin d’appareils dont la batterie ne se décharge pas entièrement au cours d’une garde.

Gamme de FPGA PolarFire^® Core

La gamme de FPGA et de systèmes sur puce (SoC) PolarFire Core de Microchip Technology est optimisée pour les applications d'edge computing qui privilégient les performances à faible consommation et un coût unitaire compétitif en production. Ces FPGA satisfont aux exigences de performance des dispositifs électroniques portatifs utilisés dans les hôpitaux ou les usines, mais aussi des machines automatisées de plus grande envergure et des véhicules automobiles. En outre, les FPGA PolarFire Core peuvent être rapidement reconfigurés selon les besoins, ce qui leur confère une flexibilité accrue et davantage de fonctionnalités.

Pour cette nouvelle déclinaison de sa gamme PolarFire, Microchip a rationalisé la conception de ses FPGA, notamment en supprimant des composants souvent inutiles dans les applications de milieu de gamme. Les FPGA PolarFire Core contribuent ainsi à réduire la complexité globale de conception tout en offrant des performances élevées à coût réduit. Les FPGA SoC PolarFire Core intègrent un microprocessur (MPU) RISC-V quadricœur 64 bits pour une flexibilité et une adaptabilité maximales. Les concepteurs peuvent ainsi continuer à innover et faire évoluer leurs conceptions sans devoir repartir de zéro avec des composants spécifiques à une application.

L’avenir de l'Edge Computing

L’augmentation du nombre de dispositifs connectés met de plus en plus en évidence les limites du cloud computing. Pour des raisons de latence, de bande passante et de sécurité, envoyer chaque flux de données des capteurs vers un serveur central s’avère peu pratique. Traiter les données au plus près de la source (qu’il s’agisse d’un véhicule, d’un site de production ou d’un dispositif portatif) raccourcit les temps de réponse et améliore le contrôle des informations sensibles.

Grâce aux progrès de l’intelligence artificielle (IA) et de l’apprentissage automatique (machine learning, ML), les systèmes edge sont désormais capables de réaliser des tâches analytiques sur site et n’ont plus besoin de s’appuyer sur une infrastructure distante. Cette nouvelle approche renforce la confidentialité des données et la fiabilité des systèmes et s’avère en outre plus économique, puisqu’elle réduit les besoins de transfert de grands volumes de données. Les avantages de cette méthode se traduisent déjà par des bénéfices concrets, notamment dans le secteur médical, l’industrie manufacturière et les transports.

Pour les ingénieurs, le défi consiste à intégrer cette capacité dans des produits fabriqués en masse sans en augmenter le coût ou les budgets énergétiques. C’est là que les FPGA PolarFire Core de Microchip se distinguent, en offrant des performances économes en énergie et abordables pour les systèmes en périphérie qui exigent des résultats constants sans la charge supplémentaire d’un processeur haut de gamme.

À propos de l’auteur

Alex Pluemer est rédacteur technique senior chez Wavefront Marketing. Ses thèmes de prédilection sont l’électronique avancée, les technologies émergentes et le développement technologique responsable.