Computer-on-Module per sistemi di visione industriali basati sull’intelligenza artificiale

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Grazie alle loro doti di scalabilità, i moduli COM (Computer-on-Module) possono garantire la flessibilità richiesta dalle applicazioni di visione basate sull’intelligenza artificiale, un mercato industriale con prospettive di crescita decisamente interessanti

Nel settore dell’automazione, accanto a IIoT (Industrial Internet of Things), Industry 4.0 e fabbriche “smart” basate su sistemi cyber-fisici, gli altri megatrend (ovvero le grandi mutazioni a livello sociale, tecnologico e ambientale) sono sicuramente la visione e l’intelligenza artificiale (AI – Artificial Intelligence). Le tecnologie di elaborazione embedded utilizzate per la realizzazione di questi sistemi devono soddisfare richieste sempre più complesse. Le soluzioni che sembrano adeguate per le esigenze attuali possono risultare inadatte per quelle future, in termini di prestazioni del processore, numero di core, macchine virtuali e numero di interfacce disponibili a bordo. Grazie alle loro doti di scalabilità, i moduli COM (Computer-on-Module) possono garantire la flessibilità richiesta e, poiché si tratta di componenti convergenti (ovvero progettati per operare in maniera integrata), risultano anche adatti per la progettazione ad anello chiuso dei sistemi di automazione.

Fig. 1 – Il mercato per i veicoli robotizzati autonomi sta crescendo rapidamente e avrà un impatto sui sistemi di visione industriali grazie all’utilizzo dell’intelligenza artificiale

Il fatto che la visione basata sull’intelligenza artificiale rappresenti un mercato industriale con prospettive di crescita decisamente interessanti diventa abbastanza ovvio quando si va ad analizzare un megatrend in un settore che sta rapidamente guadagnando terreno dal punto di vista commerciale: quello delle telecamere per veicoli robotizzati autonomi (ARV – Autonomous Robotic Vehicle). Con un tasso di crescita del 140%, questo comparto è caratterizzato da un incremento significativamente superiore rispetto a quello del mercato dei veicoli autonomi, stimato attorno al 40%. Quindi è lecito presumere che il numero di telecamere installate per veicolo sarà superiore di un fattore maggiore di tre rispetto al passato. Questo numero sarà ancora maggiore a fronte di una diminuzione del prezzo delle telecamere. L’unico dato che non è destinato a diminuire è la quantità di dati d’immagine che devono essere elaborati. Anzi, essa aumenterà in modo sensibile poiché per poter garantire una maggior consapevolezza del contesto operativo (quindi una maggior sicurezza) saranno necessarie più telecamere e livelli di risoluzione sempre più spinti. Oltre ai sottosistemi per la pre-elaborazione dei dati, i core di elaborazione embedded e le relative GPGPU sono utilizzati in misura sempre maggiore per il riconoscimento delle immagini. Questa tendenza influenza anche i veicoli autonomi per applicazioni industriali, oltre ai robot stazionari di tipo collaborativo o cooperativo e tutti gli altri sistemi per la visione industriale. I motivi saranno spiegati nel seguito dell’articolo.

Fig. 2 – Ampia libertà di scelta: due interfacce MIPI-CSI, supportate in modo nativo dal processore, possono essere implementate co moduli basati sui processori della linea Intel® Atom® o i.MX 8 di NXP

L’influenza del settore commerciale su quello industriale

In base a un recente studio condotto da Yole Développement, il mercato delle telecamere per sistemi di visione industriali, destinato a totalizzare un volume di affari di 1,4 miliardi di dollari entro il 2023, sarà superiore in misura pari a circa il 50% rispetto a quello delle telecamere per i veicoli robotizzati autonomi, stimato attorno ai 900 milioni di dollari. Si tratta in ogni caso di una crescita sostenuta rispetto al valore del mercato attuale del mercato delle telecamere per veicoli autonomi robotizzati valutato pari a 5 milioni di dollari che influenzerà anche il settore dei sistemi di visione industriali perché l’intelligenza artificiale rappresenta un elemento critico per i veicoli e il know how acquisito in questo settore può essere trasferito, dal punto di vista tecnologico, alla robotica industriale. Il percorso evolutivo di queste due aree applicative, che insieme rappresentano una larga fetta del mercato globale della visione artificiale, sarà caratterizzato da una grande dinamicità. Mercati di questo tipo richiedono la disponibilità di tecnologie di elaborazione embedded caratterizzate da un elevato grado di scalabilità. Questo aspetto viene spesso indicato con il termine di progettazione ad anello chiuso (closed-loop engineering) basato su piattaforme hardware complementari. Lo scopo è implementare ottimizzazioni su base continuativa ad anello chiuso, che sfruttano la grande mole di big data generati dai sistemi connessi all’IIoT e analizzati nei gemelli digitali (digital twin).

Prestazioni scalabili per un ambiente dinamico

I moduli COM (Computer-on-Module) rappresentano la base ideale per garantire la scalabilità dei core di elaborazione embedded. Si tratta di soluzioni standardizzate, disponibili in diversi fattori di forma come ad esempio COM Express, SMARC 2.0 e Qseven, e possono supportare una gamma estremamente vasta di processori con prestazioni differenti. COM Express è attualmente il formato più “gettonato” per i moduli di fascia alta, che possono essere equipaggiati con processori Core e Xeon di Intel oppure Ryzen ed EPYC di AMD, scalabili fino ai micro della Serie G di AMD o ai processori “entry-level” delle linee Pentium, Celeron e Atom. I formati SMARC 2.0 e Qseven, caratterizzati da dimensioni molto più piccole, coprono la fascia più bassa delle applicazioni di elaborazione embedded a basso consumo, Questi moduli possono ospitare processori delle famiglie Atom e Celeron di Intel oltre a processori della Serie G di AMD e ai più recenti componenti della serie i.MX 8 di NXP, disponibili in versioni contraddistinti da un TDP (Thermal Design Power – il parametro che fornisce un’indicazione del calore dissipato da un processore) di soli 3 W durante il funzionamento normale. Questa classe di processori è stata sviluppata in particolare per applicazioni di elaborazione embedded nei veicoli.

Fig. 3 – I moduli COM (Computer-on-Module) come quelli conformi allo standard SMARC e Qseven sono ideali per la progettazione ad anello chiuso basata su core di elaborazione convergenti grazie alla loro elevata scalabilità che è indipendente dall’architettura

Un’offerta ampia e articolata

congatec, per esempio, propone sui propri moduli in formato SMARC 2.0 e Qseven i due più recenti processori della linea i.MX 8 di NXP. Sebbene destinati prevalentemente all’uso nel settore automotive, essi trovano spazio anche in una varietà di applicazioni nel settore dell’automazione industriale. Il processore i.MX 8 QuadMax di NXP supporta in modo nativo due interfacce MIPI-CSI e grazie OpenVX (Vision, ovvero lo standard per accelerare le funzionalità legate alla visione artificiale) risulta particolarmente adatto per l’uso nelle applicazioni di visione, che possono anche sfruttare il core grafico (GPU) per l’elaborazione parallela in virtù del supporto dello standard Open CL. Il nuovo processore i.MX 8X, d’altro canto, è adatto all’uso in sistemi che devono garantire un’efficienza energetica molto spinta, e dispone di un insieme di funzionalità leggermente più ridotto. Entrambe le versioni sono comunque disponibili sui moduli SMARC 2.0.

Su questi ultimi è anche prevista la possibilità di utilizzare i processori Intel di classe Atom, Celeron e Pentium. Essi possono essere anche predisposti per accedere direttamente alle interfacce MIPI-CSI, come dimostra il primo Smart Camera Kit con interfacce di questo tipo introdotto da congatec per i sistemi di visione situati alla periferia delle reti IioT. Si tratta di un kit application-ready per la valutazione, l’installazione e messa in esercizio (deployment) di telecamere smart robuste basate sull’interfaccia MIPI-CSI 2 da utilizzare per compiti di analisi in ambienti industriali gravosi, all’aperto o all’interno di un veicolo.

Grazie a questo kit gli sviluppatori possono sfruttare i vantaggi legati alla disponibilità di una piattaforma MIPI-CSI 2 per applicazioni industriali immediatamente installabile e funzionante e già predisposta per applicazioni in campo industriale.

Realizzato utilizzando componenti standard, il kit semplifica lo sviluppo e riduce il time to market di soluzioni di analisi basate su telecamere smart per dispositivi situati alla periferia delle reti IioT. Grazie alla conformità con lo standard SMARC 2.0, gli sviluppatori possono verificare in modo estremamente semplice quale sia il processore più adatto per le loro specifiche applicazioni.

Una gamma di servizi completi per accelerare l’integrazione e ridurre i costi

Il fatto di essere progettati in modo da risultare “application-ready” non è l’unico punto di forza di questi moduli COM (Computer-on-Module). Oltre ai moduli, congatec mette a disposizione numerosi servizi aggiuntivi grazie ai quali è possibile ridurre la complessità e il tempo richiesto in fase di integrazione, con riflessi estremamente favorevoli sul time to market. Gli elementi alla base dei servizi ad alto valore aggiunti offerti dalla società sono il supporto personalizzato in fase di integrazione per ciascuna implementazione OEM e la possibilità di scegliere individualmente il livello necessario di supporto da parte del Technical Solutions Center. Questo team di specialisti è in grado di soddisfare tutte le specifiche richieste degli utenti – dall’ingegnerizzazione dei requisiti e la configurazione del bootloader con supporto esteso per il sistema operativo ai servizi di collaudo, validazione e debug. Un supporto personalizzato e di elevato livello qualitativo finalizzato a semplificare l’uso delle tecnologie di elaborazione è un altro dei tratti distintivi dei servizi offerti da congatec. Per i clienti, la fase di integrazione risulta molto più rapida ed efficiente in quanto una modalità di tipo “plug&play” è nettamente migliore rispetto a un approccio condotto per tentativi.

I nuovi moduli SMARC 2.0 basati sui processori i.MX8 di NXP vengono proposti come super-componenti “application-ready” che includono il bootloader U-boot e BSP (Board Support Package) completi per Linux, Yocto e Android

L’avversario di Intel Atom

I processori più recenti, spesso, sono i migliori. Gli sviluppatori possono quindi scegliere se utilizzare i nuovi processori della linea i.MX 8 di NXP – che congatec propone sui propri moduli in formato SMARC 2.0. – oppure i processori della serie Atom di Intel. L’importante è assicurare la massima flessibilità di progettazione utilizzando  moduli SMARC 2.0. I nuovi moduli conga-SMX8 con processori I.MX 8 di NXP possono essere equipaggiati con un massimo di 8 core, disponibili nella configurazione QuadMax (2 core A72 + 4 core  A53 + 2 core M4F) e sono in grado di ospitare fino a 8 GByte di memoria LPDDR4 di tipo MLC o pseudo SLC e fino a 64GByte di memoria non volatile. Particolarmente ricco il set di interfacce che include 2 porte GbE con sincronizzazione del clock di precisione conforme allo standard IEEE1588 (opzionale), fino a 6 porte USB (compresa 1 porta USB 3.1), fino a 2 porte PCIe Gen 3.0, 1 porta SATA 3.0, 2 porte CAN bus, 4 UART oltre a un modulo Wi Fi/Bluetooth che supporta Wi-Fi 802.11 b/g/ne BLE. È possibile collegare un massimo di 3 display mediante interfacce HDMI 2.0 con protezione HDCP 2.2, 2 interfacce LVDS e 1 eDP 1.4. Per le videocamere, i moduli supportano 2 interfacce MIPI CSI-2. I nuovi moduli SMARC 2.0 basati sui processori i.MX8 di NXP vengono proposti come super-componenti “application-ready” che includono il bootloader U-boot e BSP (Board Support Package) completi per Linux, Yocto e Android.

Zeljko Loncaric Marketing Engineering congatec

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