インスツルメント オン チップ (IoC) は、電子テスト機器における新たなトレンドであり、デバイスが強力なリアルタイム信号処理チップ、通常はフィールド プログラマブル ゲート アレイ (FPGA) を中心に構築されています。洗練された低レイテンシの信号処理機能は、これまでは複数のアナログおよびデジタル コンポーネントの組み合わせによって実行されていましたが、現在では単一のシリコン チップに統合できるようになりました。 FPGA デジタル信号処理 (DSP) は高速かつ確定的であり、再構成可能な機能により、時間の経過とともにアップグレードしたり、完全に交換したりすることができます。 IoC は、パフォーマンス、多用途性、手頃な価格の優れた組み合わせにより、教育、研究開発、産業アプリケーション全体での幅広い採用を推進しています。現在、デバイスは、Red Pitaya や Digilent などの人気メーカーから、 Liquid Instruments の Moku:Pro.
図 1: 電子テスト装置は、半導体、自動車、電気通信、航空宇宙、防衛産業の技術開発をサポートします。
IoC デバイスの 4 つのコンポーネント
IoC デバイスのアーキテクチャを図 2 に示します。次の XNUMX つの重要なコンポーネントがあります。
- 再構成可能な強力なデジタル信号処理チップ
- 現実世界の信号からのアナログおよび/またはデジタル入力
- 現実世界の信号へのアナログおよび/またはデジタル出力
- データ保存、機器設定、およびリモート ユーザー インターフェイスを可能にするネットワーク (または同様の) 接続
図 2: IoC には XNUMX つの主要コンポーネントがあります。 FPGA または同様の信号処理チップ、アナログおよび/またはデジタル入力、アナログ/デジタル出力、およびデータ保存とユーザー インターフェイス制御のためのネットワーク接続。
インスツルメントオンチップにより新たなレベルの多用途性が実現
IoC デバイスの特徴は多用途性です。 IoC デバイスは、多くの従来の機器を 14 つに統合しており、デバイスはこれらの異なる機器間で数秒で変換できます。これを行うには、ユーザーはデバイスに新しいビットストリーム、つまり FPGA 内の接続を再プログラムするファイルを送信します。このようにして、デバイスは、以前は独自の専用回路を必要としていた多くの機器を置き換えることができます。この回路は、ソフトウェアのような環境でプログラムされたアルゴリズムに置き換えられ、FPGA チップのハードウェアに実装されます。カスタム回路を DSP に置き換えることの副次的な利点は、デバイスが多くの機器を置き換えることができるにもかかわらず、非常にコンパクトなままであることです。たとえば、教育に焦点を当てたデバイスである Moku:Go は、アナログ入出力、デジタル I/O、電源を組み合わせており、ペーパーバックサイズのデバイスに XNUMX つの機器が含まれています。
IoC システム内の機器の多様性は、次の要素によって決まります。
- 現実世界の信号へのアナログおよびデジタル接続、
- デバイスの信号処理リソース、および
- 必要なデジタル信号処理アルゴリズムとユーザー インターフェイスの開発者 (またはユーザー) の実装。
上記のポイント 3 は純粋にソフトウェアに関係するため、IoC デバイスの機能はその寿命にわたって定期的にアップグレードできます。これは、機能が固定された従来の機器とは異なり、IoC デバイスは時間の経過とともに、多くの場合無線ソフトウェア アップデートによって性能が向上することを意味します。これらのソフトウェアのアップデートにより、パフォーマンスの向上、新機能、新しい機器がもたらされます。 3 つの機器しか含まれていなかったときに Moku:Lab を購入したユーザーは、無料の無線ソフトウェア アップデートによって提供される 14 の機器にアクセスできるようになりました。これらのアップデートにより、製品寿命の途中でまったく新しい機能 (来月からのユーザー プログラム機能や複数の機器機能を含む Moku:Pro など) が利用可能になることもあります。
入出力回路の設計における 1 つの課題は、複数のアプリケーションの要件のスーパーセットをサポートする必要があることです。 IoC デバイスは、すべての機器に同じアナログ フロントエンドを使用し、多くの場合、複数の機器に同時にデータをファンアウトします。多くの使用例をサポートする場合、入力回路 (アナログ フロントエンド) を単一のアプリケーションに簡単に特化することはできません。たとえば、オシロスコープには複数のレンジとインピーダンス設定が必要ですが、スペクトラム・アナライザには高いダイナミック・レンジが必要で、ロックイン・アンプは低ノイズを優先します。ただし、パフォーマンスの向上は複数の機器やアプリケーションに利益をもたらすため、フロントエンド設計を最適化する動機はより高くなります。
半導体業界による集積回路の密度、消費電力、速度の急速かつ容赦ない進歩のおかげで、IoC デバイスの信号処理能力は急速に向上しています。 IoC は、コンピューティングおよびネットワーキング アプリケーション向けに改良されたチップを提供するために毎年行われる数十億ドルの投資から恩恵を受けています。これらの進歩によって何が可能になったかは注目に値します。 5 年前、IoC デバイスの第一波は、ローエンド アプリケーションで従来のテスト機器との同等性をかろうじて達成していました。現在、IoC は製品カテゴリとして成熟し、より大規模で高速かつ高機能な FPGA の劇的な進歩により、IoC アーキテクチャは多くのアプリケーションに対して従来のアプローチに比べて議論の余地のない利点を提供しています。
なぜコンピュータを使用しないのでしょうか?
オペレーティング システムを実行しているコンピューターの CPU は、信号処理アルゴリズムに必要な決定的なタイミングを保証できません。問題は、オペレーティング システムが、ユーザー インターフェイスの処理、マウスが動いたかどうかの確認、通常はバックグラウンド プロセスの複数のスレッドの実行など、多くの汎用タスクを処理する必要があることです。特定のタスクのスケジュールを必要なレベルで管理することはできません (サンプルは数ナノ秒ごとに送受信する必要があります)。
タスクのサブセットに集中するために個別に専用化できる複数のコアが利用可能であれば、この状況はある程度改善できますが、問題は最小限に抑えられますが、解消されるわけではありません。たとえば、National Instruments の LabVIEW ソフトウェアでは、通常、ユーザーは信号処理のタイミングをミリ秒単位で指定します。カスタム リアルタイム オペレーティング システムを使用すると、タイミング分解能が向上し、マイクロ秒単位でタイミングを要求できるようになります。 FPGA では、関数はクロック サイクルごと (通常は 2 ～ 10 ナノ秒) で実行されることが保証されます。さらに、これは決定論的であるため、操作が一貫したタイミングで発生することを保証するために信頼できます。
なぜFPGAなのか?
IoC デバイスに DSP を実装するには、さまざまな種類の処理チップを使用できますが、なぜ FPGA が頼りになるチップとして浮上したのでしょうか? CPU (中央処理装置)、GPU (グラフィック処理装置)、ASIC (特定用途向け集積回路) など、高速信号処理が可能なチップの一般的なクラスがいくつかあります。これらの各チップは、異なる最適化の結果です。図 3 は、効率が向上し、柔軟性が低下するスペクトル上に配置されたこれらのチップを示しています。左から始まるのは CPU です。これは柔軟性の王様であり、汎用コンピューティングの主力製品です。あなたがこれらの単語を読んでいるデバイス内で CPU が動作している可能性があります。右に進むと GPU が表示されます。GPU は柔軟性に劣りますが、一般的な CPU よりも多くの (おそらく 100 倍以上) コアを備えた高スループットの並列処理に最適化されています。名前が示すように、GPU の主な目的は 3D コンピュータ グラフィックスに関連する計算を実行することでした。
FPGA はさらに並列性が高く、何千もの演算がチップ全体で同時に独立して実行されます。 FPGA チップにはコアがありませんが、代わりにロジック、乗算器、メモリなどの分散リソースがチップ全体に配置されています。これらのリソース間の接続は再構成可能です。 FPGA 処理命令は、リソース間の接続を再配線することによって変更されます。ただし、命令の変更には、シリアル化された命令を効率的に処理できる CPU よりもはるかに長い時間がかかります。代わりに、FPGA は、変更の頻度が非常に低い命令を使用してシリアル化されたデータ用に最適化されています。私は、FPGA のリソースを、そこを流れる水 (データ) を導く浅い川底の石のようなものだと考えるのが好きです。 FPGA は、演算が FPGA ファブリックの別々のセクション間で独立して行われるため、当然ながら並列処理に適しています。パイプライン技術を使用できれば、複雑なデジタル信号処理 (DSP) チェーンを並列で効率的に実装できます。 DSP のさまざまなステージは、最後の反復 (クロック周期/サイクルごとに 1 回発生) で前のステージの出力を操作することにより、FPGA の別々のセクションで同時に実行できます。このようにして、n ステージの信号処理を FPGA の n 個の独立した領域によって実装することができ、クロック サイクルごとに 2 出力という高いスループットを実現できますが、待ち時間は n サイクルになります。 10 ～ XNUMX ナノ秒の範囲のクロック サイクルの場合、閉ループ フィードバック制御アプリケーションであっても、この遅延の影響は通常無視できます。
図 3 の右端にあるのは、柔軟性は最も低いが効率が最も高いプロセッサである ASIC です。川底の例えに戻りますが、ASIC の場合、石は所定の位置にコンクリートで固められています。 ASIC のシリコンは、必要な正確な信号処理に合わせて高度に最適化できますが、製造時に固定され、チップの寿命にわたって変更することはできません。カスタム ASIC の設計と製造には多額の初期費用がかかるため、大量が必要な場合にのみ費用対効果が高くなる傾向があります。 IoC デバイスは効率を重視する傾向がありますが、ある程度の柔軟性が必要であるため、図 3 の最後から XNUMX 番目のチップである FPGA が好まれます。
図 3: 効率と柔軟性の順に並べた一般的なタイプの処理チップ
通常、主要な信号処理は FPGA に実装されますが、CPU はネットワーク接続と構成機能の管理に最適です。このため、ほとんどの IoC デバイスは、FPGA とプロセッサの両方が存在するシステム オン チップ (SoC) ソリューションを使用します。これには、Liquid Instruments と Red Pitaya のすべてのシステムと、Digilent の新しいハイエンド製品の一部が含まれます。人工知能アプリケーションの台頭により、新しいタイプの信号処理チップの開発が促進されています。 「ファブレス」チップ設計会社の増加と、TSMC のような専用の半導体ファウンドリ会社との組み合わせにより、シリコンチップ設計の復活が見られており、IoC デバイスがこれらの開発からどのような恩恵を受けるかを見るのは興味深いでしょう。
再構成可能なハードウェアには再構成可能なユーザー インターフェイスが必要です
ユーザーによる IoC デバイスとの対話も、スタンドアロンのテスト機器の対話とは異なります。従来のテスト機器「ボックス」のユーザー インターフェイスは、画面が組み込まれたフロント パネルのボタンのグリッドです。 IoC デバイスにはフロント パネル ボタンがない傾向があります。これは、実行されている機器に応じて必要なコントロールが異なるためです。予期せぬ結果の 1 つは、ほとんどの機器に画面が組み込まれていないことです。制御用に別個のコンピューティング システムが必要な場合は、この画面でユーザー インターフェイス全体を提供することもでき、多くの場合優れた使いやすさを実現します。
カスタム構築された統合画面ではなく、すぐに入手できるコンピューターやタブレットを使用することで、IoC ユーザーは幅広い選択肢を得ることができます。 IoC デバイスは、よりニッチなテストおよび測定規格よりも、コンピューター業界の通信規格 (イーサネット、Wi-Fi、USB) を優先する傾向があります。おそらく、RS232 や GPIB が IoC デバイスと通信するための好ましい方法として認識されることはないでしょう。
図 4: オシロスコープ、任意波形発生器、位相計、および PID コントローラー機器用の Moku のユーザー インターフェイスの例。
Liquid Instruments が発売されたとき Moku:Lab 数年前、私たちはユーザーエクスペリエンス全体を再考する機会を得ました。私たちは大規模な（光学）ラボで頻繁に作業を行っており、調整するためにラボ内を移動するときに持ち運べるように、ハードウェアから UI を切り離したいと考えていました。タブレットは素晴らしいフォームファクターでした。従来のテスト機器のユーザー インターフェイスをタブレットに移植するのではなく、最新のユーザー インターフェイス設計の最高の部分をテスト機器に導入することに着手しました。
この決定から多くの利益がもたらされました。多くの若いユーザーはスマートフォンを使って育ち、ものの使い方をすぐに理解しているため、トレーニングは減少しています。私たちは、多くの人が物理的なノブやボタンで感じていた「何かを壊してしまう」という恐怖を感じることなく、タッチ スクリーンが新しいユーザーの探求心を刺激することを観察しました。インターフェイスはさまざまな機器間で一貫しているため、プラットフォーム上のすべての機器の使用方法を簡単に学習および覚えることができます。
主流の最新のオペレーティング システムを使用すると、ユーザーがテスト機器専用のカスタム クラウド ストレージ サービスにサインアップする必要がなく、クラウド ストレージ (Dropbox、Google Drive など) などに自動的にアクセスできます。そして最後に、私たち自身もユーザーなので、速く、美しく、そして全体的に使い心地が良いものにするよう努めました。
IoC の未来: 次に何が起こるのか?
私たちが今日目にしているのは IoC の始まりにすぎず、基盤となるテクノロジーとプラットフォームとしての IoC デバイスの改良の両方において、状況は急速に変化しています。 FPGA の並列処理リソースが増加し続けるにつれて、より多くの機能を追加し、仕様を改善し、より高性能な機器を構築することができます。 IoC デバイスの最初の波は、オシロスコープや任意波形発生器のような単一のスタンドアロン機器に取って代わりました。より強力なチップにより、インスツルメント オン チップ デバイスがテスト装置のシステム全体に取って代わるようになります。 PXIシャーシと複数のハードウェアモジュールを購入する代わりに、 Moku:Pro 複数のホットスワップ可能なソフトウェア モジュールを実行するために使用できます。
いくつかの利点は明らかです。あなたは午前 2 時に研究室にいて締め切りに向けてデータを取得しようとしていますが、重要なテスト機器がありません。新しいハードウェアを注文して納品まで何週間も待つ必要がなく、ダウンロードするだけで数分で実行できるようになりました。その他の利点は、おそらくあまり明らかではありませんが、より大きな影響を与える可能性があります。たとえば、PXI システムでは、モジュールは通常、フロント パネルの入出力をケーブルで接続するか、PXI バック プレーンを使用して通信します。場合によっては、ダイレクト メモリ アクセス (DMA) チャネルを使用する中間プロセッサを介して通信します。この転送方法には、ハードウェア モジュール間のデータ転送の速度、遅延、決定性に関して厳しい制限があります。あるいは、ケーブルを使用してアナログ信号を接続すると、信号がデジタルからアナログに変換され、またその逆に変換されるため、信号対雑音比 (SNR) が低下する可能性があります。マルチ計測器対応 IoC システムを使用すると、信号は FPGA チップから出ることなく計測器間で受け渡すことができます。これにより、超低遅延で高いデータ レートが得られ、SNR が低下することはありません。一部のPXIハードウェアモジュールでは、タイムベースを他のモジュールと同期するために数千ドルかかる外部クロック/同期モジュールが必要です。すべてのモジュールが同じクロック ドメイン内の同じチップ上で実行される IoC デバイスではそうではありません。来月からは、マルチ機器機能を備えた Moku:Pro を構成して、テスト システム全体を置き換えることができます。もちろん、そのテスト システム構成を数秒で別のテスト構成に切り替えて、複数のテスト システムを置き換えることができます。私たちは、複数の機器が複雑なテストのニーズを持つ人々にとって状況を大きく変えるものになると考えています。
また、来月 Moku:Pro 向けにマルチインストゥルメントと並んでリリースされる 9 番目の主要な機能、つまりユーザーが FPGA をプログラムするためのアクセス機能にも興奮しています。これにより、専門ユーザーは究極のカスタマイズが可能になります。ユーザーは、単純なカスタム測定の実装からまったく新しい高度な機器の構築まで、あらゆることを実行できるようになります。機器全体を構築するのは複雑な作業で、気の弱い人には向きませんが、Moku:Pro の FPGA は大きい (600,000 個を超えるロジック セルと 2,520 個の DSP スライスを備えた Zynq UltraSCALE+ ZUXNUMXEG です!) ので、うまくいけば、リソースは問題ないでしょう。さらに良いことに、ユーザーが作成したカスタム FPGA はマルチ計測器モードで実行されます。つまり、既存の計測器に接続してユーザー インターフェイスを提供し、最小限の手間でデータを保存できます。
IoC: テスト機器のコンピューター
コンピューターは現代生活の多くの側面に革命をもたらしたので、処理ニーズの解決策以外の用途を見つけるのは困難です。昔、人々は手紙を書くためにタイプライターを使用し、物事を計算するために電卓を使用しました。その後、コンピューターが登場し、すべてが変わりました。それは私たちが手紙を書くのを助けたり、物事を計算したりすることができますが、それが発明されたときには私たちが夢にも思わなかったようなはるかに多くのことを行うことができます。コンピュータは他の産業と同じ方法でテストと測定を克服していないか、少なくとも完全なソリューションを提供していません。私たちは、IoC によって、試験測定業界のコンピューターのレシピを発見したと信じています。
IOC テクノロジーにおける Liquid Instrument の最新の進歩について詳しくご覧ください。 Moku:Pro.
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