「FPGAを使用し高性能で電力効率の高いエッジAIアプリケーションを素早く構築」 (Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、Microchip Technology社のPolarFire FPGAを使用してエッジコンピューティングを実現する方法について解説した記事をご紹介します。

■FPGAを使用し高性能で電力効率の高いエッジAIアプリケーションを素早く構築

　現在では、AIを使った応用が様々な場所で活用されています。これまではIoT機器などを使って集めたデータをクラウドに送り、そこで機械学習やディープラーニングの処理を行うのが一般的でしたが、最近はIoT機器内でAI処理を行うエッジコンピューティングへと移行し始めています。

　エッジコンピューティングにより、クラウドにデータを送る時間を短縮できるのでリアルタイムの作業においてもAIを導入することが可能になり、またクラウドとの接続が切れてもAI処理を続けることが可能になります。さらに、セキュリティ対策が容易で、運用コストも削減することができます。

　エッジコンピューティングを行うためには、端末において高速に演算処理を行う必要があります。一般にCPUのみでは力不足なので、演算が得意なFPGAを使用すると効果的です。しかし、FPGAを実装するにはHDL言語を使用して論理合成を行う必要があり、慣れていない技術者にとっては敷居が高いものです。

　そこで、Microchip Technology社のPolarFire FPGAを使用すると、FPGAの経験のない技術者でもエッジコンピューティングを容易に実現することができます。PolarFire FPGAはロジックエレメントが100K～500Kの中規模のFPGAですが、不揮発性のFPGAでSRAM FPGAに比べて最大50%も電力消費量が少なくなっています。PolarFire FPGAにはニューラルネットワークの推論モデルを高速化できる専用の数学ブロックがあり、ソフトIPとして推論エンジン用のフレームワークが用意されています。

＜ PolarFire FPGA Video KIT ＞

　【アプリケーションラボ】では、エッジでAIを行う理由やFPGAを使用して推論モデルを実行するメリットなどについて解説した後、Microchip社のPolarFire FPGAの特長と実装方法について解説しています。さらに、スマート組み込みビジョンの開発がスムーズに行えるPolarFire FPGA Video KITを紹介しています。

　このキットは、デュアルカメラセンサーと多数のディスプレイインターフェースを搭載し、一般的なイメージングとビデオプロトコルのプロトタイピング用に作られています。ドローンやマシンビジョン、熱画像、ゲーム、ビデオサーベイランス、ロボティクス、先進運転支援システム(ADAS)、機械学習、HMIなどの幅広いアプリケーションに使用できます。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

PolarFire FPGA(100K LE、244 I/O) 【MPF100T-FCG484E】 ￥18,913.34(税込￥20,804.67)
PolarFire Video KIT 【MPF300-VIDEO-KIT-NS】 ￥133,250(税込￥146,575)

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■信頼性の高い絶縁ADCを使用して3相誘導モータを効果的に制御

　3相誘導ACモータを効果的に制御するには、高い始動トルク、優れた速度制御、適切なオーバーレンジ機能が求められます。ここでは、ACモータの制御を高精度に実現する際の問題点と、この用途には絶縁アナログフィードバックが適している理由について解説します。

■大電流端子で安全に電力を供給しつつ、組み立て時間と電力損失を削減するには

　大電流を扱うプリント基板では、コネクタと電源ラインを太くて頑丈なものにする必要があります。ここでは大電流端子に関する問題について解説し、適切な端子を選択すると動作が安定しアセンブリ時間を短縮できることを示します。

　マルツエレックは、ams AG社製のToFセンサーTMF8801を搭載したモジュール基板「MEVA-TMF8801」を開発し、販売を開始いたしました。「MEVA-TMF8801」は、TMF8801のV_DD、SDA、SCL、EN、INT、GPIO0、GPIO1、GNDの各端子をヘッダピンに引き出して扱いやすくしたボードです。

＜ MEVA-TMF8801 ＞

　ams AG社は、オーストリアのシュタイアーマルク州に本拠を置くアナログ半導体メーカーです。TMF8801は、高精度に1次元の深度(物体との距離)を検出できるToFセンサーです。ToF(Time of flight)は、パルス状の光や超音波を対象物に照射し、反射して返ってくるまでの時間を計測して距離を測定する技術です。TMF8801は、サブナノ秒の光パルス(30Hzで940nmの面発光レーザー)を照射し、パルスの往復時間を測定します。ちなみに、サブナノ秒とは1ns(ナノ秒)に近い1ns以下の時間を意味しますが、時間の単位ではありません。1nsは10^－9秒で、距離に換算すると1GHzの電波の1周期に相当します。

　TMF8801で検出できる距離は2cm～250cmで、高感度の単一アバランシェフォトダイオード(SPAD)と高速でコンパクトな時間/デジタルコンバータを使用して、±5％以内の高精度な距離測定を実現しています。また、対象物の色や反射率、テクスチャに関係なく検出でき、太陽光などのバックグラウンドライトノイズはフィルターによって最小限に抑えられています。さらに、カバーガラスを検出し、汚れや汚染物質をヒストグラム処理により補正して、高い信号対雑音比(SNR)を実現しています。

　TMF8801は2.7V～3.3Vの電源電圧で動作し、検出したデータはI2C(1.8V)により出力されます。用途は、物体の検出や人数の計測、ロボットやドローンの衝突回避、自動車のナビゲーション検出など様々な応用が可能です。

ToFセンサー TMF8801モジュール基板 【MEVA-TMF8801】 ￥3,200(税込￥3,520)