Корпорация Lattice Semiconductor: FPGA и этажерка искусственного интеллекта SensAI для маломощных приложений

Корпорация Lattice Semiconductor: FPGA и этажерка искусственного интеллекта SensAI для маломощных приложений

Выпуск 12(6686) от 20 июня 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Распространение Интернета вещей и краевых вычислений обусловило потребность в большом количестве приборов с малой потребляемой мощностью, в том числе FPGA. Недавно корпорация Lattice Semiconductor представила свою новую FPGA – ​MachXO3D, которую можно использовать как аппаратный корень доверия, а также обновленную версию этажерки SensAI, быстродействие которой, по сравнению с предшествующим поколением, увеличено в 10 раз.

Корпорация Lattice Semiconductor представила новую управляющую вентильную матрицу, программируемую пользователем (FPGA), с расширенными функциями безопасности. Кроме того, она обновила свою этажерку SensAI с целью десятикратного повышения производительности искусственного интеллекта своих маломощных FPGA. Это первое решение фирмы с августа 2018 г., когда поменялась значительная часть ее высшего менеджмента. Новое руководство провело «перемоделирование» корпорации, полностью обновив почти каждый элемент хозяйственной деятельности Lattice Semiconductor.

Основными направлениями корпоративной политики стали:

сосредоточение на FPGA с малой потребляемой мощностью в качестве основного направления развития;

уход из низкорентабельных областей, таких как СФ-блоки мультимедийных интерфейсов высокой четкости (high-definition multimedia interface, HDMI);

повышение эффективности разработок за счет расширения повторного использования СФ-блоков;

повышение финансовой дисциплины.

Эксперты Lattice Semiconductor, представляя платформу FPGA следующего поколения, отметили, что в ней применена новая, более эффективная архитектура на основе 28-нм технологического процесса полностью обедненного «кремния-на-изоляторе» (FD-SOI) корпорации Samsung с низкой потребляемой мощностью. Кроме того, увеличены возможности цифровой обработки сигнала (ЦОС) и в пять раз расширена емкость внутрикристальной памяти.

Опытные образцы приборов на основе новой архитектуры будут представлены в 2020 г.


АППАРАТНАЯ ЗАЩИТА

Новая FPGA призвана предотвратить ряд угроз безопасности, порождаемых несанкционированным доступом к микропрограммному обеспечению. Клиенты Lattice Semiconductor в самых различных областях начинают опасаться за сохранность своего оборудования. Традиционно они думали о компьютерной безопасности как о проблеме программного обеспечения и беспокоились о вирусах. Теперь же им приходится заботиться о безопасности на аппаратном уровне.

Действительно, в последнее время число кибератак на микропрограммное обеспечение (прошивку) компонентов заметно возросло. Так, недавно из-за взлома автомобилей фирмы Jeep ее материнской корпорации Fiat Chrysler пришлось отозвать почти 1,4 млн машин. Атака «червя» и ботнета Mirai привела к взлому огромного числа приборов Интернета вещей и использованию их для организации широкомасштабной распределенной атаки типа «отказ в обслуживании» (distributed denial of service, DDoS). Риск проблем безопасности, таких как угон машин, несанкционированное использование сетевого соединения, кража проектных данных, кража и повреждение данных, контрафакция и незаконная переделка и перестройка, по-прежнему высок.

Новый прибор корпорации Lattice Semiconductor, получивший обозначение MachXO3D, может использоваться как аппаратный корень доверия (root of trust, RoT), т. е. прибор, на работу которого в заданном режиме всегда можно положиться. Функции RoT, такие как проверка собственного кода и конфигурации, должны быть реализованы в защищенном оборудовании. RoT-приборы, проверяя безопасность каждого этапа включения питания, формируют первое звено в цепи доверия, защищающей систему в целом.

Поскольку приборы семейства MachXO3 широко используются для реализации функций управления системой в платах серверов, телекоммуникационном и промышленном оборудовании, они зачастую являются компонентами, которые нужно первыми включать и последними выключать.

Многие критические инфраструктурные платы оснащены управляющими программируемыми логическими устройствами (PLD), контролирующими сбросы, последовательность подключения источников питания по мере включения системы, а затем – ​выключение системы. Это делает их идеальным местом для размещения RoT-возможностей. Приборы семейства MachXO3D стали первыми малыми FPGA, ориентированными на функции управления и малую потребляемую мощность (рис. 1). Они были разработаны в соответствии с «Рекомендациями NIST по платформе отказоустойчивости микропрограммного обеспечения» (NIST’s Platform Firmware Resiliency Guidelines). Использование этих FPGA в качестве ИС обеспечивает клиентам Lattice Semiconductor создание системы, также соответствующей «Рекомендациям…».



Источник: Lattice Semiconductor

Рисунок 1. Приборы корпорации Lattice Semiconductor ориентированы на маломощные приложения конечных узлов


MachXO3D обладает функционалом защиты энергонезависимой памяти через контроль доступа, криптографическое обнаружение и предотвращение загрузки вредоносного кода. В случае повреждения она способна восстановиться до последней доверенной версии микропрограммного обеспечения. В целях минимизации площади атаки входные порты могут быть динамически реконфигурированы; также могут быть динамически изменены набор команд и схема безопасности.

Безопасность по всей цепочке поставок и на весь срок службы продукта обеспечивается дополнительными функциями, такими как использование ключа для шифрования другого ключа при его передаче и пакетов безопасного стирания.


ОБНОВЛЕНИЕ ЭТАЖЕРКИ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

Корпорация Lattice Semiconductor также модернизировала свою аппаратно-программную этажерку SensAI. Выпущенная год назад, она предназначена для запуска ИИ и машинного обучения как на аппаратной FPGA-платформе iCE40 Ultra Plus (характеризующейся потребляемой мощностью до 1 мВт при площади 5,5 мм2), так и на FPGA-платформе видеоинтерфейса ECP5 (обычно потребляет около 1 Вт при площади 100 мм2) (рис. 2).



Источник: Lattice Semiconductor

Рисунок 2. Аппаратно-программная этажерка SensAI корпорации Lattice Semiconductor используется в основном для приложений компьютерного (технического) зрения


Средства ИИ корпорации Lattice Semiconductor ориентированы на приложения с малой потребляемой мощностью, такие как приборы Интернета вещей и приборы краевых вычислений, которым для обработки изображений или потоков изображений требуется функциональность машинного обучения. По сравнению с микроконтроллерами, микропроцессорами, графическими процессорами и другими типами обрабатывающих данные приборов, FPGA корпорации Lattice Semiconductor предлагают средний уровень производительности в диапазоне потребляемой мощности от 1 мВт до 1 Вт. Подобные приборы весьма востребованы в приложениях, нуждающихся в недорогих решениях.

Этажерка SensAI включает в себя СФ-ядра для ускорения сверточных нейронных сетей (CNN), программные средства и компиляторы, связывающие популярные ИИ-структуры с ПО FPGA корпорации Lattice Semiconductor, а также образцы разработок. Главным образом она используется для таких приложений, как распознавание изображений и компьютерное зрение. Время, требуемое для обработки изображения сверточной нейронной сетью (CNN) составляет 1/10 того, что было необходимо этажерке предыдущего поколения.

Отмечается, что одни клиенты предпочитают работать с большей скоростью смены кадров в секунду, так как это позволяет обрабатывать большее количество изображений. Другие удовлетворены существующей частотой смены кадров, но хотели бы получить лучшее разрешение. Третьи довольны и частотой смены кадров, и разрешением, но хотели бы получить ИС меньшего размера. Наконец, четвертые желают снизить тактовую частоту и потребляемую мощность.

Корпорация Lattice Semiconductor с целью существенного увеличения производительности SensAI применила ряд методик.

Первая версия SensAI использовала 16-разрядные числа с фиксированной точкой (запятой), но в новой версии они заменены на 8-разрядные числа с фиксированной точкой. Это фактически удвоило количество умножителей на кристалле ИС, емкость внутрикристальной памяти также фактически удвоилась (так как появилась возможность хранения как минимум в два раза больше промежуточных точек данных). Чтобы этого добиться, пришлось изменить очередность работы инструментальных средств.

Большинство нейронных сетей обу-чается на 32-разрядных числах с плавающей запятой, затем, при переходе к этапу реализации, они квантуются до 16-разрядных чисел. В первой версии SensAI ошибка, связанная с квантованием до 16-разрядных чисел, была приемлемой, но квантование до 8-разрядных чисел сделало бы ошибку слишком большой. Для решения этой проблемы были задействованы различные методики применения структур машинного обучения, предполагающие использование 8-разрядных чисел с фиксированной точкой. При выходе из обучающей структуры в компилятор квантование не требуется, т. е. данный подход позволяет перейти от 16-разрядных к 8-разрядным числам так, чтобы не увеличить ошибку.

Специалисты корпорации Lattice Semiconductor также изменили последовательность определенных вычислений компилятора. Некоторые из наиболее распространенных слоев, используемых в CNN, теперь могут быть обработаны совместно в рамках одного этапа. Это сокращает число промежуточных точек данных, которые необходимо хранить. К этим слоям относятся слой максимального объединения (maxpool или max-pooling layer), слой активации типа ReLU (rectifiedlinear unit layer) и слой свертки (convolution layer).

Новая версия SensAI включает в себя несколько образцов разработки, в частности энергосистему, оптимизируемую по обнаружению присутствия человека (т. е. работающую только в его присутствии), и систему, оптимизируемую по параметрам в зависимости от числа обнаруженных людей.

 

Ward-Foxton Sally. Lattice Adds Hardware Security; Improves AI. EE Times, May 21, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1334720


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.