Dalla visione embedded alla realtà

Pubblicato il 25 maggio 2020

Uno sguardo ai sistemi e alle schede embedded che sfruttano le potenzialità dei processori della serie R1000 di AMD

 

Grazie all’introduzione da parte di AMD della serie Embedded R1000, è ora disponibile un nuovo SoC (System-on-Chip) che consente di implementare soluzioni con raffreddamento passivo caratterizzate da dissipazioni comprese tra 12 e 25 W. Basato sull’architettura “Zen” e  affiancato da una GPU “Vega”, questo SoC è in grado di assicurare elevate prestazioni può essere utilizzato in numerose applicazioni, tra cui i sistemi di visione della prossima generazione. I produttori di sistemi di elaborazione embedded hanno apprezzato le potenzialità della proposta di AMD e mettono ora a disposizione una vasta gamma di piattaforme.

Da poco meno di un decennio AMD ha focalizzato le proprie attività di sviluppo nel campo delle soluzioni di elaborazione sul concetto di “ubiquitous computing” (ovvero un’elaborazione trasparente e pervasiva integrata in oggetti e in attività quotidiane), sostenendo che l’abbinamento della potenza di elaborazione di CPU e GPU in una singola APU rappresenta uno dei pilastri dell’elaborazione embedded. A quei tempi non tutti erano stati in grado di comprendere l’importanza di questa strategia, in quanto allora le unità grafiche integrate nei processori erano utilizzabili solamente con i processori AMD alla stregua di GPGPU (General Purpose GPU) per eseguire operazioni aritmetiche standard come una CPU. Nel momento in cui sta aumentando la diffusione di sistemi di visione “intelligenti” e di applicazioni di intelligenza artificiale – che richiedono elaborazioni a elevato parallelismo (MPP – Massive Parallel Processing) – nessuno può negare la validità della decisione di rendere disponibili un grandissimo numero di GPU per svolgere compiti di elaborazione di tipo generico. L’elaborazione eterogenea basata su OpenCL, così come l’uso di GPU per svolgere operazioni di elaborazione parallela, sono diventate divenute quindi tendenze dominanti.

MEL Flex (Mentor Embedded Linux Flex) è un sistema operativo flessibile, scalabile e ad alte prestazioni supportato dai processori della serie Ryzen R1000 di AMD

 

Elaborazione a elevato parallelismo con le GPU

All’edizione 2016 di Embedded World, Chris Halliman, Technical Marketing Engineer di Mentor Graphics e Kristian Glöde Madsen di Qtechnology presentarono una soluzione di visione “intelligente” basata su MEL (Mentor Embedded Linux) che utilizzava processori della serie R di AMD per l’elaborazione eterogenea. Essa consentiva agli sviluppatori di applicazioni di sfruttare le potenzialità della CPU e della GPU in base alle necessità. Quella particolare applicazione prevedeva l’identificazione dell’inchiostro usato sulle banconote attraverso sistemi di visione embedded, rendendo così possibile il riconoscimento delle banconote contraffatte. L’inchiostro utilizzato dalle zecche e dai produttori di banconote ha caratteristiche specifiche che possono essere rilevate automaticamente dai sistemi di visione.

 

ROCm è uno stack software molto versatile. L’interfaccia HIP (Heterogeneous-compute interface for portability) è un’API runtime C++ e il linguaggio del kernel che consente agli sviluppatori di realizzare applicazioni portatili che possono girare su GPU di AMD e di altri produttori. Il codice C++ risultante può essere compilato con HCC di AMD o NVCC di NVIDIA. Il codice HIP garantisce le medesime prestazioni del codice CUDA nativo, oltre ai vantaggi derivati dal fatto di girare su piattaforme AMD. Poiché sia CUDA sia HIP sono linguaggi C++, il porting da CUDA a HIP risulta più semplice rispetto all’analoga operazione da CUDA a OpenCL. Per ridurre ulteriormente la curva di apprendimento nel passaggio da CUDA a HIP, AMD ha sviluppato il tool “Hipify” per semplificare la conversione dell’applicazione dell’utente

 

Un ecosistema completo di tipo open source

Da quel momento il supporto software è cresciuto in maniera costante. Con il rilascio, nel maggio del 2017, di OpenCL 2.2, il linguaggio del kernel C++ è stato integrato in OpenCL. Si è trattato di un cambiamento significativo. Questo linguaggio riveste un ruolo di fondamentale importanza in un gran numero di applicazioni embedded, poiché C++ è il linguaggio più comunemente utilizzato per il sistemi embedded, oltre a C. Oltre a ciò, ROCm (Radeon Open eCosystem) è ora divenuto parte integrante del master repository (libreria software) TensorFlow, fornendo una base software ad alte prestazioni di tipo open source per l’elaborazione GPU in ambiente Linux. Oltre a ciò, il SoC Ryzen Embedded R1000 supporta il nuovo sistema operativo MEL (Mentor Embedded Linux) Flex, che si distingue per le sue doti di configurabilità oltre che per le sue prestazioni real-time e in fase di boot (avvio): tutte funzionalità sicuramente apprezzate da Siemens, azienda che nel frattempo ha acquisito Mentor. Ne consegue che gli sviluppatori di applicazioni embedded hanno a disposizione un accesso completo (end-to-end) di tipo open source alla GPU da utilizzare per la pre-elaborazione dell’immagine e il deep learning (apprendimento profondo), la modellazione sparsa, gli algoritmi di inferenza e numerose altre applicazioni di intelligenza artificiale.  L’approccio di tipo open source è particolarmente importante nel settore del software embedded, non solo per i vantaggi che comporta in termini di costo e di time to market, ma anche per assicurare la disponibilità sul lungo termine.

Focalizzazione sui sistemi di visione e l’intelligenza artificiale

La disponibilità di questo ecosistema per applicazioni caratterizzate da un TDP compreso tra 12 e 25 W raffreddate in modo passivo abbinata al sensibile incremento di prestazioni garantito dal nuovo SoC Embeddded Serie R1000 di AMD permette lo sviluppo di sistemi di visione smart decisamente più potenti e raffreddati per lo più in modo passivo destinati all’uso in ambiente particolarmente gravosi. Il nuovo SoC è caratterizzato da miglioramenti di un fattore pari a 3 in termini di prestazioni per Watt e di un fattore pari a 4 per quel che riguarda il rapporto tra prezzo e prestazioni a livello di CPU e di grafica rispetto alla concorrenza.

Advantech ha equipaggiato le sue schede madri in formato Mini-ITX equipaggiate con i processori Ryzen Embedded R1000/V1000 di AMD con un connettore PCIe Goldfinger sul lato della scheda PCB dove è collegato l’FPGA per le applicazioni di gaming

Inoltre per la prima volta è disponibile il multithreading per i dispositivi della Serie R, raddoppiando in tal modo il numero dei core per l’esecuzione del software e consentendo l’implementazione di due macchine virtuali real-time per core. Oltre a ciò, l’unità grafica contribuisce con un totale di 192 core con una velocità di clock fino a 1,2 GHz per le operazioni sui dati. Tra le applicazioni tipiche si possono annoverare elaborazione delle immagini dei dispositivi medicali alimentati a batteria posti sui carrelli mobili, sistemi di videosorveglianza utilizzati sulle autostrade e nelle città “intelligenti”, sistemi di ispezione utilizzati per la produzione di prodotti alimentari e industriali, oltre che sistemi  di controllo automatico dei punti vendita al dettaglio, dove vengono anche utilizzate tecniche basate su intelligenza artificiale e deep learning. La nuova serie Embedded R1000 può quindi essere usata in un grandissimo numero di applicazioni che si spingono fino al settore dell’edge computing (elaborazione alla periferia della rete) che prevede la decentralizzazione della logica decisionale, consentendo in tal modo ad AMD di consolidare ulteriormente la propria presenza nel settore embedded, estendendola a quasi tutti i settori applicativi.

Una fruizione visiva senza precedenti

Le workstation medicali e le interfacce operatore (HMI) industriali ad alte prestazioni, così come i riproduttori di contenuti digitali e i sistemi per il gaming professionale restano alcuni dei mercati principali per i processori embedded di AMD. Tutte queste applicazioni traggono sensibili vantaggi dalla possibilità di supportare fino a tre display con risoluzione 4K (a 60 FPS max.) e dalla disponibilità di un engine grafico capace di decodificare video H.265 e VP9 con profondità di colore a 10 bit e eseguire la codifica a 8 bit. In questo modo OEM e ODM possono garantire una fruizione visiva decisamente coinvolgente.

La scheda in formato RCE (Rugged COM Express) di MEN Mikro Elektronik basata sui processori Ryzen Embedded R1000/V1000 di AMD può essere utilizzata in campo ferroviario dove sono presenti sollecitazioni termiche di notevole intensità

Un business interessante per i produttori di computer embedded

Naturalmente i produttori di sistemi di elaborazione embedded sono interessati a cogliere le opportunità offerte dai processori embedded di AMD e tutti i più importanti costruttori offrono una vasta gamma di schede e moduli equipaggiati con questi dispositivi. Advantech, il più importante protagonista su scala mondiale nel settore dell’elaborazione embedded, ha integrato la serie R1000 di AMD, perfettamente compatibili a livello software e di piedinatura con la serie Ryzen V1000 sempre di AMD, su una scheda madre in formato Thin Mini-ITX che supporta entrambe le versioni garantendo in tal modo la massima scalabilità. Il medesimo discorso vale per le schede mITX-VR1000/mITX-VR1000 V2.0 di Kontron. Entrambe sono scalabili, potendo supportare dal processore Ryzen Embedded R1505G con frequenze comprese tra 2,4 e 3,3 GHz con GPU Radeon Vega 3, di tipo dual core/4 thread e un TDP compreso tra 12 e 25 W al precessore Ryzen-Embedded V1807B con GPU Radeon RX Vega 11 con frequenze comprese tra 3,35 e 3,8 GHz , di tipo quad core/8 thread e un TDP compreso tra 35 e 54 W. In termini di prestazioni a livello di CPU, ciò significa che gli utenti possono passare da una versione all’altra ottenendo un incremento di prestazioni del 76%. Ancora maggiore la scalabilità per quanto concerne le prestazioni a livello di GPU e GPGPU. In questo caso si passa dai 768 GFLOPS per il SoC Ryzen R1505G ai 3,66 TFLOPS del SoC Ryzen V1807B, che corrisponde a un incremento del 477% in termini di GFLOPS. Ciò permette agli utenti di individuare il bilanciamento ottimale tra prezzo, consumi e prestazioni per la particolare applicazione considerata. Un’alternativa alle proposte di Advantech e Kontron è offerta da ASRock Industrial, che propone la scheda IMB-1000 in formato Mini-ITX, come pure la versione IMB-V1000. Caratterizzate da un fattore di forma identico e corredate da interfacce standard, queste schede riportano le medesime specifiche sui rispettivi datasheet, ad eccezione della sezione grafica.

Sistemi 4×4 equipaggiati con i processori Ryzen Embedded R1000/V1000 sono proposti da numerose aziende tra cui E.E.P.D. E ASRock Industrial

Elevata scalabilità equivale a maggiore efficienza

Un livello di scalabilità del tutto analogo è offerto dai Computer-on-Module COMe-cVR6 in formato COM Express Compact di Kontron e GH960 in formato COM Express Basic di DFI. Anche in questo caso, le prestazioni non sono scalabili solo con i dispositivi della serie R ma anche con quelli della serie Ryzen-V1000. congatec, dal canto suo, ha confermato che i suoi moduli in formato COM Express equipaggiati con i SoC Ryzen V1000 possono ospitare anche i SoC della serie R1000.  Con il modulo CB71C, MEN Mikro Elektronik (che è entrata a far parte di Duagon), mette a disposizione una soluzione RCE (Rugged COM Express) destinata all’utilizzo in ambiente particolarmente gravosi come quelle tipiche del settore ferroviario. In questo comparto i sistemi embedded devono essere in grado di resistere a variazioni di temperature estreme: un treno, passando da una galleria alpina situata nel nevoso Nord a una pianura dell’assolato Sud, è soggetto a fenomeni di condensazione e sollecitazioni termiche di notevole entità che devono essere contrastate in modo efficace.

Sistemi 4×4 “application ready”

I sistemi 4×4 realizzati da aziende come ad esempio E.E.P.D. e ASRock Industrial si propongono come soluzioni convenienti e d’immediato utilizzo. I sistemi proposti da E.E.P.D. risultano già conformi allo standard eNUC. Relativamente recente, questo fattore di forma standardizzato a livello di scheda da SGET (Standardization Group for Embedded Technolgies e.V.) nel 2014, è l’”astro” emergente nel segmento dei box PC embedded. Ciò è imputabile in larga misura al fatto che si tratta di un fattore di forma particolarmente compatto che può essere usato dovunque come sistema di tipo “application ready”. Un altro vantaggio è, ovviamente, la standardizzazione da parte di SGET. Si tratta di una soluzione unica nel settore dei Box PC, in quanto né per i sistemi da 3,5” né per quelli in formato Pico-ITX esiste un proposta confrontabile indipendente da singoli costruttori per la standardizzazione.

Uno sguardo da vicino

La compatibilità a livello di piedinatura e di software con i SoC Ryzen Embedded V1000 di AMD potrebbe essere la ragione per cui nell’Embedded Catalog è presente un numero relativamente modesto, 11 piattaforme, equipaggiate con i SoC R1000, contro le 33 piattaforme con i SoC della serie V1000.  Solo 3, invece, sono le piattaforme in grado di supportare entrambe le versioni. A conti fatti, sono disponibili fino a 47 soluzioni embedded con i SoC della serie R1000 incluse nel catalogo di AMD. Di conseguenza, è consigliabile esaminare attentamente le tre varianti possibili al fine di individuare la soluzione più idonea per la propria applicazione. Oltre alle aziende in precedenza menzionate, sono disponibili anche soluzioni proposte da AEWIN Technologies, Arbor, AOPEN, Axiomtek, Ganlot, GIGAIPC, IBASE Technology, Litemax Electronics, Quisant, SECO e Sapphire. La CPU Vega 3 e l’architettura Zen della CPU dei SoC Ryzen Embedded R1000 di AMD sono utilizzati per la realizzazione della console per videogiochi VCS di Atari. Anche Stratacache ha fatto ricorso ai processori Ryzen Embedded R1000/V1000 per i nuovi riproduttori di contenuti digitali delle famiglie Stratacache, Scala, X2O Media e Real Digital Media. Questi riproduttori sfruttano sia la piattaforma basata su Ryzen Embedded sia le prestazioni offerte dalla GPU per offrire una fruizione visiva con risoluzione 4K decisamente migliore. Netronome, uno dei più importanti produttori di soluzioni per il collegamento in rete di memorie e di server intelligenti utilizza i SoC Ryzen Embedded R1000 per realizzare appliance per la sicurezza e soluzioni per l’elaborazione cloud/edge e il networking sempre più avanzati.

Alessandro Nobile



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