Page 1

Kuinka suojata Linux-järjestelmä ? 2/2019 8-bittinen menestyy edelleen Joustavaa tehoa akkujen valvontaan

MAKSIMITEHO IRTI PALVELINKORTILTA

Mistä laskentatehoa IoT-laitteelle? Mekaniikka- ja sähkösuunnittelu yhteen RISC-V tuo uusia mahdollisuuksia

HELPPO ALUSTA IoT-anturointiin MIKRO-OHJAIN rikkoi haamurajan FPGA-RESURSSIT koodarin käyttöön

ANTURIT - KORTIT - OHJAIMET - TEHOLÄHTEET - TIETOTURVA - SUUNNITTELU


Pohjoismaiden johtava teknologiatapahtuma sinulle, joka työskentelet teollisuuden ja teknologian alalla ja haluat kasvattaa asiantuntemustasi, oppia uutta ja verkostoitua!

5.–7.11.2019 Messukeskus Helsinki

AUTOMAATIO | ELEKTRONIIKKA | HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA LEVYTYÖ | KONEENRAKENTAMINEN | KUNNOSSAPITO AI JA ROBOTIIKKA | ICT

Teemana Ihminen, vastuullisuus ja teknologia

Huippuohjelmaa joka päivä! ! maksutonta ohjelmaa 5 ohjelmalavalla, yli 100 luentoa! ! Teknologia Forum, seminaareja ! Tulevaisuuden työnantaja -teemapäivä 5.11.2019

Verkostoidu, päivitä tietosi ja tutustu alan uusiin innovaatioihin!

! Startup Competition ja Ällistyttävät Robotit-kilpailu ! After work ja Teknologia Party keskiviikkona

Mukana yli 400 näytteilleasettajaa

Puhujina mm.

Linda Liukas koodaaja, kouluttaja ja kirjailija

#teknologia19

Alf Rehn kirjailija, kolumnisti ja johtamisen professori

Risto Linturi tulevaisuudentutkija

Katso koko ohjelma ja näytteilleasettajat ja rekisteröidy kävijäksi ennakkoon teknologia19.fi

Avoinna: ti 5.11 klo 9–17 | ke 6.11 klo 9–19 | to 7.11 klo 9–16

Yhteistyössä

Page 2

ETNdigi - 2/2019


Luet ETN:n järjestyksessä kolmatta ETNdigi-erikoisnumeroa. Lehti jaetaan kaikille Teknologia19messujen vieraille Messukeskuksen uutiskirjeissä, mutta se löytyy myös verkosta ilmaiseksi menemällä osoitteeseen www.etn.fi. Pian loppumetreille kääntyvä vuosikymmen on ollut hyvin tapahtumarikas, jopa dramaattinen suomalaiselle elektroniikkateollisuudelle. Vuosikymmen muistetaan varmaan parhaiten Nokian illmoituksesta myydä matkapuhelinten liiketoimintansa Microsoftille syksyllä 2013. "Nokialainen" oli kuitenkin pitkään suomalaisen elektroniikan ja koko teollisuuden kruununjalokivi. SIksi onkin ilahduttavaa, että suomalainen elektroniikka voi edelleen varsin hyvin. Tuore Teknologiateollisuuden tilauskantakysely kertoo, että maamme sähkö- ja elektroniikkateollisuuden uudet tilaukset ovat olleet nyt kasvusuunnassa jo lähes kolmen vuoden ajan. Myös tilauskannan arvo kasvoi heinäsyyskuussa. Sähkö- ja elektroniikkateollisuuden yritysten liikevaihto Suomessa kasvoi neljä prosenttia vuonna 2018 verrattuna vuoteen 2017. Tämän vuoden tammi– heinäkuussa kasvua oli 14 prosenttia viimevuotisesta. Vuonna 2018 liikevaihtoa Suomessa kertyi kaikkiaan 15,6 miljardia euroa. Ala on myös merkittävä työllistäjä, sillä henkilöstömäärä oli syyskuun lopussa vajaat kolme prosenttia suurempi kuin viime vuonna keskimäärin. Henkilöstöä oli syyskuun lopussa 39 000 eli noin 1100 enemmän kuin viime vuonna.

Veijo Ojanperä päätoimittaja, ETN vo@etn.fi

ETNdigi - 2/2019

ETN järjestää kesäkuun 4. päivänä vuonna 2020 Embedded Conference Finland -tapahtuman jo neljännen kerran. ECF on vakiinnuttanut paikkansa sulautetun tekniikan ykkösfoorumina Suomessa. Tapahtuma on entiseen tapaan ilmainen kävijöille. Nähdään kesäkuussa ECF20:ssa!

ETNdigi päätoimittaja Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 Ilmoitusmyynti Anne-Charlotte Sparrvik +46-734171099 ac@etn.fi Ilmoitushinnat: etn.fi/advertise ETNdigi on IoT- ja sulautettuun tekniikkaan keskittynyt digitaalinen erikoislehti. Se julkaistaan 2-3 kertaa vuodessa. ETN on huipputekniikan uutissivusto, joka keskitty elektroniikkaan, tietoliikenteeseen, nanoteknologiaan ja uusiin sovelluksiin. Osoitteesta www.etn.fi löytyy myös laaja valikoima tekniikka-artikkeleita, jotka ovat yhteistyöyritystemme kirjoittamia. ETN järjestää vuosittain Suomen ainoan riippumattoman, ammattilaisille suunnatun sulautetun tekniikan konferenssin. Lisätietoa Embedded Conference Finlandista löytyy osoitteessa www.embeddedconference.fi Helpoiten ETN:n uutisiin pääsee käsiksi tilaamalla päivittäin ilmestyvän ilmaisen uutiskirjeen osoitteessa etn.fi/tilaa.

Page 3


Embedded Conference Finland will be organised for the 4th time in June 4, 2020. In May 2019 we had more than 250 attendees enjoying a very strong technical program. You can find the ECF19 presentations on the event website at embeddedconference.fi. The keynotes and a selection of presentations can also be seen as video on the ETNtv Youtube channel. All vital information will be on the event website. As before, attending the conference will be free of charge. The registration will open in December 2019. Hope to see you all at ECF20!

For more information see

www.embeddedconference.fi To book a table top or ask for sponsor packages please contact ETN editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 or Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

Page 4

ETNdigi - 2/2019


SISÄLTÖ 2/2019

6-14 UUTISET IoT-mittaamiseen oma "Raspberry Pi" Koodaaja pääsee käsiksi FPGA-resursseihin Python ja Rust mukaan RTOS-kehitykseen KOLUMNI 15 RISC-V tuo lisää mahdollisuuksia suunnittelijalle 16 MAKSIMITEHOA PALVELINKORTILTA Sulautetuissa sovelluksissa tarvitaan usein jo palvelintason suorituskykyyä. Saksalainen congatec on tuonut tällaisen tehon volyymeissä tarjolle ensimmäistä kertaa. RIITTÄVÄSTI LASKENTATEHOA IOT-LAITTEELLE 22 Kuinka syöttää virtaa erilaisille IoT-laitteille mahdollisimman energiatehokkaasti? 26 8-BITTINEN MENESTYY EDELLEEN Ensimmäinen 8-bittinen ohjainpiiri tuli markkinoille yli 40 vuotta sitten. Nyt 8-bittinen vauhdittaa yhä monimutkaisempia järjestelmiä. SUOJAA LINUX-JÄRJESTELMÄSI 32 Sulautetun Linuxin voi suojata 4-portaisella prosessilla 37 TEHOA AKKUJEN VALVONTAAN Akun tilan hallintajärjestelmiä tarvitaan yhä useammilla sovellusalueilla sähköautoista älykkään sähköverkon uusiutuvan energian varastointijärjestelmiin.

MEKANIIKKA- JA SÄHKÖSUUNNITTELU YHTEEN 44 Siemens on kehittänyt alustan, jossa sähköja mekaniikkasuunnitelu saatetaan yhteen. Tämä vähentää inhimillisten virheiden määrää suunnittelussa.

ETNdigi - 2/2019

Page 5


UUTISET

Täysin valmis alusta helpp IoT-dataa kerätään nyt kiihtyvällä vauhdilla, mutta datankeruu ja sen analysointi vaatii edelleen melkoisesti osaamista. Analog Devices helpottaa kehittäjiä uudella MeasureWare-alustallaan, joka pitää sisällään laitteiston, sovelluksen kehitysohjelmiston sekä ohjelman mittaustulosten keruuseen. Veijo Ojanperä vo@etn.fi

ADI:n MeasureWare-projektin johtaja Lorna Keane kertoo, että alusta on kehitetty ennen kaikkea helpottamaan mittaussovellusten kehittämistä. – Monet uudet yritykset haluavat hyödyntää anturidataa, eikä niillä välttämättä ole tarvittavaa osaamista. MeasureWaren avulla yritykset voivat ylittää tämän teknisen kuilun, Keane kehuu. MeasureWare-alusta pohjaa korttiin, johon voidaan liittää erilaisia antureita. Alkuvaiheessa tarjolla ovat lämpötilan, paineen ja kosteuden mittaus. Anturit tulevat Sensirionilta ja TE Connectivityltä. Keanen mukaan anturivalikoimaa tullaan kasvattamaan nopeasti ja esimerkiksi ADI:n oma hP-anturi lisätään joukkoon jo lähiaikoina. Raudan lisäksi alusta koostuu kattavasta ohjelmistosta. MeasureWare Studiolla voidaan kehittää helposti oma mittaus- ja analyysisovellus. Työkalu esimerkiksi ehdottaa kehittäjälle omaan sovellukseen sopivaa anturia. Mittauksia tehdään MeasureWare Lab työkalulla. Demossa ADI:n edustajat kertoivat, että työn alla on myös mobiilisovellus, jolla voidaan sekä mitata että analysoida tuloksia. Tulossa on myös suora liitäntä, jolla mittaustulokset voidaan siirtää pilvipalveluun. Lorna Keanen mukaan MeasureWarelle rakentuu nopeasti oma ekosysteemi, jossa

Page 6

käyttäjät voivat jakaa kokemuksiaan. Alustaan voi tutustua tarkemmin ADI:n MeasureWare-sivuilla. Kortteja voi ostaa Digi-Keyltä. Ensimmäisten korttien hinnat ovat noin 250 dollaria. MAAILMA ENTISTÄ ANALOGISEMPI Analog Devices hakee kasvua digitalisaatiosta, automaatiosta ja autojen sähköistämisestä. – Maailma on edelleen analoginen, sanoi ADI:n myyntijohtaja Martin Cotter yhtiön järjestämäsäsä

mediapäivässä Irlannin Limerickissä. Cotterin kommentti liittyy digitalisaation ympärillä olevaan hypeen. Tavallaan maailma on jopa entistä analogisempi, sillä meillä on enemmän keinoja sen mittaamiseen. Tähän digitaaliseen ja reaalimaailman välissä olevaan rajapintaan valtaosa ADI:n ratkaisuista osuu. Jonkinlainen kattotermi Analogille on Teollisuus 4.0. – Kyse on vanhan tennariverkon – Suomessa puhuttiin

ETNdigi - 2/2019


poon anturimittaamiseen Ilmastonmuutos tuli agendalle Ilmastonmuutos on viimeistään tänä vuonna noussut globaalille agendalle, eivätkä myöskään puolijohdetalot voi omaa vastuutaan paeta. Näin ajatttelee Analog Devicesin pääjohtaja Vince Roche. Vasemmalta oikealle: 1. MeasureWare on ADI:n alusta IoT-anturimittaamiseen, eräänlainen anturoinnin "Raspberry Pi". 2. ToF-anturi mahdollistaa esimerkiksi cobottien kehittämisen. Alla: Analog Devicesilla on Limerickissä iso laitos, jossa on 1200 työntekijää. Limerickissä kehitetään erityisesti uusia anturitekniikoita ja -materiaaleja. Esimerkiksi RF-MEMS-piirien tuotantoa voidaan tehdä Limirickin puhdastiloissa.

Hänen mukaansa ilmastonmuutos on eksistentiaalinen uhka koko ihmislajille. - Meidän täytyy aktiivisesti taistella ilmastonmuutosta vastaan kehittämällä hyötysuhteeltaan korkaluokkaisia ja ympäristön vaatimukset huomioivia ratkaisuja. ADI:n tapauksessa ilmastonmuutos ei ole vain uusi iskusana yhtön powerpointeissa. Esimerkiksi Limerickin tutkimuskeskuksessa vihreys näkyy energiantehokkaina lamppuina, aktiivisessa vedenkäytön säästämisessä ja pyrkimyksenä tehdä koko kampuksesta hiilipäästötön laitos. ADI:n tekniikoilla on myös toteutettu monia uudenlaisia, ilmastoa säästäviä ratkaisuja. Tällainen on esimerkiksi maailman ensimmäinen sähkömoottorinen lautta, joka on tänä vuonna aloittanut liikenninnin Norjassa. Lautta kulkee vuonon yli reilun viiden minuuutin matkan ja pysähdysten aikan sen akusto täytyy pitää kunnossa seuraavaa matkaa varten. Tässä on hyödynnetty ADI:n lataus- ja akustonhallintapiirejä.

aiemmin Adidas-verkosta – korvaamisella anturoinnilla, joka tuottaa esimerkiksi valmistajalle reaaliaikaista tietoa tuotantolinjasta, Cotter tiivistää. Tämä näkyy vaikkapa autojen ADASjärjestelmien kehittämisessä. Uusimmissa autoissa on jopa kolmekymmentä erilaista anturia, joilla kerätään jatkuvasti tietoa ympäristöstä, muilla tielläliikkujista ja olosuhteista. Tätä dataa

ETNdigi - 2/2019

hyödynnetään monin tavoin, vaikka yksi tärkeimmistä on autoilun tekeminen turvallisemmaksi. - Olemme vahvasti mukana Vision Zero -hankkeessa, jossa tarkoituksena on päästä täysin eroon ihmishenkien menetyksestä tieliikenteessä, Cotter sanoi. Jo nyt ADI:n anturit pelastavat hänen mukaansa kahdeksan tielläliikkujaa joka päivä.

Ajoneuvojen sähköistyminen on myös tärkeä osa ilmastonmuutoksen vastaista taistelua. Sähköauto myös osoittaa, miten monimutkaisesta ongelmasta on kyse. Ilman muuta akkuvirralla kulkeva auto on hiukkaspäästöiltään pienempi kuin vanha polttomoottoriauto, mutta yhtälössä pitäisi pystyä ottamaan huomioon myös se tekniikka, olla akustoon ladattu sähkö on tuotettu. Digitalisaatiolla on merkittävä rooli päästöjen vähentämisessä. Kasvihuonekaasuja voidaan leikataarvioiden mukaan jopa 15 prosenttia digitalisaation avulla vuoteen 2030 mennessä. Ja digitalisaatio - tai Teollisuus 4.0 - perustuu mitä suurimmassa määrin ADI:n kaltaisten yritysten älykkäisiin antureihin ja paikallisesti tapahtuvaan signaalinkäsittelyyn.

Page 7


UUTISET

ENSIN AUTOISTA KATOAVAT PEILIT, SITTEN KULJETTAJA ON Semiconductorin autoelektroniikan liiketoiminnan kehityksestä vastaava Joseph Notaro kertoo, että ensimmäiset ilman peilejä myytävät autot ilmestyvät maanteille joissakin maissa kolmen vuoden kuluttua. Notaron mukaan ensimmäiset peilittömät autot tulevat olemaan autonomisia eli ns. robottitakseja. Lue lisää etn.fi/10033.

Uusi anturi tarkentaa kännykän kameran laserintarkasti

IOT-LAITE KÄNNYKKÄVERKKOON MUUTAMASSA PÄIVÄSSÄ Amerikkalainen NimbeLink kehittää Nordic Semiconductorin nRF9160-piirin pohjalta modeemia, joka on ns. ”lopputuotesertifioitu”. Modeemin sisältämää laitetta ei tarvitse enää erikseen sertifioida operaattorien verkkoon, joten laitteen voi saada nopeasti kentälle. NimbeLinkin mukaan Skywire Nano modeemi on tulossa markkinoille ensi vuoden ensimmäisen neljänneksen aikana. Kyse on markkinoiden toistaiseksi pienimmästä ja vähävirtaisimista IoT-modeemista, NimbeLink kehuu. Lue lisää etn.fi/10027.

OHJELMOITAVA LOGIIKKAOHJAIN TUO IOT:N PIENIIN LAITTEISIIN Automaatioyritys Omron on julkaissut uuden CPE2-monitoimiohjaimen, joka sisältää koneohjaukseen tarvittavat I/O-portit, tiedonsiirtoliitännät ja akseliohjaustoiminnot. Ohjain mahdollistaa edistyksellisen ohjauksen ja IoT-yhteyden käyttämisen myös pienikokoisissa koneissa. Lue lisää etn.fi/10000.

AUTON TUTKAAN LISÄÄ TEHOA Saksalainen Infineon lisää autojen tutkajärjestelmien suorituskykyä. Yhtiö on lisännyt Aurix-sarjaan uuden mikro-ohjaimen, joka käsittelee aiempaa nopeammin esimerkiksi tulevien ADAS-järjestelmien 77 gigahertsin tutkasignaaleja. Infineonilla jo ennestään tutkasignaalin prosessoreja eri kantamille. Aurin uusin eli TC3 A -piiri mahdollistaa esimerkiksi entistä paremmin mutkien taakse näkevät tutkat. Infineon on kehittänyt uutuuteen aivan uuden signaalinkäsittelypiirin, aiempaa suurimman tutkalle varatun SRAM-muistin sekä neljä 300 megahertsin TriCore-prosessoria. Lue lisää etn.fi/9996.

Page 8

Jotta älypuhelimen kamera voisi tarkentaa kuvan haluttuun pisteeseen, sen täytyy tietää mahdollisimman tarkasti, kuinka kaukana kohde on. Itävaltalaisen ams:n uusi ToF-anturi tekee laserintarkan etäisyysmittauksen 2 sentistä aina 2,5 metriin asti. ams:n mukaan TMF8801-anturi on yli 30 prosenttia pienempi kuin kilpailevat ToF-anturit markkinoilla. ToF-anturi (Time-of-Flight) tuottaa selvästi infrapuna-antureita tarkemman etäisyysmitan, sillä mittaus perustuu kohteesta takaisin heijastuvan fotonin kulkeman matkan mittaamiseen. TMF8801-piiri on maailman pienin integroitu ToF-moduuli. Fyysisiltä mitoiltaan moduuli on 2,2 x 3,6 x 1,0 -millinen. Piiri on suorituskykyisempi seuraaja viime vuonna julkistetulle TMF8701-anturille.

ams:n mukaan moduulin tarkkuus perustuu komponentin arkkitehtuuriin. Piirille on integroitu VCSEL-infrapunalähetin, useita SPAD-ilmaisimia (single photon avalanche photo-diode) jotka vastaanottavat mittauksen mahdollistavat fotonit, lentoajan digitaaliseksi arvoksi muuntama muunnin sekä mikro-ohjain, joka prosessoi histogrammeja. Moduulin avulla kännykän kamera saadaan ottamaan laserintarkkoja selfiekuvia jopa 2,5 metrin päästä. Samaa informaatiota voidaan toki käyttää muissakin sovelluksilla, vaikkapa entistä tarkemmin liikkuvassa robotti-imuriossa ja monissa teollisuuden sovelluksissa. TMF8801-anturi maksaa volyymeissä 2,89 dollaria kappale. Lisätiedot: https://ams.com/ tmf8801

ETNdigi - 2/2019


Prosessorien myynti laskee tänä vuonna Koko 2010-luvun ajan mikroprosessorien myynti on kasvanut tasaisesti ja alalla on rikottu uusia ennätyksiä vuosittain. Nyt tutkimuslaitos IC Insights ennustaa, että prosessorien myynti laskee tänä vuonna neljä prosenttia. Lasku on ensimmäinen yhdeksään vuoteen. Tutkimuslaitoksen ennusteen mukaan mikroprosessoreja myydään tänä vuonna 77,3 miljardilla dollarilla, kun viime vuonna markkinoiden koko oli 80,1 miljardia dollaria. Lasku johtuu älypuhelinmarkkinoiden pehmentymisestä, datakeskusprosessorien suurista varastoista ja USA:n ja Kiinan välisestä kauppasodasta, jotka kaikki heikentävät kysyntää. IC Insights ennustaa prosessorimyynnin elpyvän jo ensi vuonna ja kasvavan 2,7

prosenttia 79,3 miljardiin dollariin. Vuonna 2021 alalla rikotaan taas vanha ennätys, kun suorittimia myydään 82,3 miljardilla dollarilla.

myytävistä mikroprosessoreista on älypuhelinten sovellusprosessoreja ja kolme prosenttia tablettien prosessoreja.

Vuosille 2018-2023 ennustetaan nyt keskimäärin 2,7 prosentin vuotuista

Läppäreiden ja muiden PC-koneiden osuus myynnistä on lähes 52 prosenttia. Tästä kakusta peräti 99 prosenttia perustuu X86arkkitehtuuriin, joten esimerkiksi Arm-prosessorien osuus on vielä olematon.

kasvua. Sen toteutuessa suoritinmarkkinoiden koko olisi vuonna 2023 ennätykselliset 91,7 miljardia dollaria. Tänä vuonna noin 29 prosenttia kaikista

Erilaisiin sulautettuihin sovelluksiin myydään 17 prosenttia kaikista mikroprosessoreista. Sulautettujen prosessorien myynti kuitenkin kasvaa tänäkin vuonna 10 prosenttia 12,9 miljardiin dollariin. Luvussa näkyy kasvu IoT-markkinoilla, sekä automaation ja tekoälyn lisääntymisessä niin teollisuuden kuin autojen elektroniikkajärjestelmissä.

Mikro-ohjain rikkoi gigahertsin rajan Mikro-ohjaimien suorituskyvyssä on juuri otettu merkittävä hyppäys eteenpäin. NXP Semiconductors on esitellyt ensimmäisen ohjainperheen, jossa prosessoriytimen kellotaajuus rikkoo maagisen yhden gigahertsin rajan.

Kaksiytimisen arkkitehtuurin ansiosta suunnittelussa voidaan ajaa sovelluksia rinnan eri ytimillä tai pienentää tehonkulutusta sammuttamalla toinen ydin tarvittaessa. Esimerkiksi Cortex-M4-ydin voidaan varata aikakriittisiin ohjaussovelluksiin, kuten moottorin-ohjaukseen. Samalla tehokkaammalla ytimellä voidaan ajaa vaativampia sovelluksia.

Uusi i.MX RT1170 -piiri koostuu jopa 1 gigahertsin kellotaajuudella operoivasta Arm Cortex-M7ytimestä sekä 400 megahertsin Arm Cortex-M4-ytimestä, 2D-grafiikkamoottorista, NXP:n kehittämästä 2Dgrafiikkakiihdyttimestä sekä yhtiön omasta EdgeLock-turvalohkosta. NXP:n mukaan piiri on suunniteltu 12 nanosekunnin keskeytysaikoja vaativiin sovelluksiin. CoreMark-testissä ohjain yltää lukemaan 6468, mikä tarkoittaa noin kaksinkertaista suorituskykyä aiemmin tarjolle oleviin vastaaviin ohjaimiin verrattuna.

ETNdigi - 2/2019

Suorituskyvyn kasvusta huolimatta piirin tehonkulutus säilyy 28 nanometrin FDSOI-valmistusprosessin ansiosta kilpailukykyisenä. NXP:n mukaan i.MX RT1170 on samalla ensimmäinen kyseisessä prosessissa valmistettu ohjainpiiri markkinoilla.

NXP:n mukaan ohjaimella voidaan ajaa rinnan erilaisia koneoppimissovelluksia, kuten kasvojen tunnistusta ja luonnollisten kielten prosessointia. Käytännössä tämä ei ole aiemmin ollut ohjainpiireillä mahdollista. Uusien teho-ohjaimien kehitys onnistuu NXP:n MCUXpresso-työkaluilla. Piirien hintoja ja saatavuutta NXP ei vielä kertonut.

Page 9


UUTISET

ARM-PIIREILLE TULEE RÄÄTÄLÖIDYT KÄSKYT Englantilaislähtöinen Arm ottaa ehkäpä historiansa merkittävimmän askeleen eteenpäin, kun Arm-käskykantaan voidaan ryhtyä lisäämään asiakkaan itse räätälöimiä käskyjä. Hanke alkaa Cortex-Markkitehtuurista ja erityisesti Cortex-M33prosessorista, jolle kustomoitujen käskyjen koodaaminen onnistuu ensi vuoden alkupuoliskon aikana. Myöhemmin sama vapaus tulee myös muihin M-sarjan piireihin. Muista arkkitehtuureista Arm ei ole vielä kertonut suunnitelmiaan. Lue lisää etn.fi/9973.

ESIM HELPOTTAA IOT-VERKON SEURANTAA Nordic Semiconductor on testannut iBasisin kehittämään eSIM-korttia ja testit osoittavat, että yhdellä ja samalla kortilla voidaan operoida eri maissa. Tyypillisesti eSIM tarkoittaa mobiililaitteen piirikortille integroitua piiriä, joka on päivitettävissä tukemaan eri operaattoreiden konfigurointeja. iBasisin testiratkaisu poikkeaa tästä: kyse on GSMAyhteensopivasta fyysisestä kortista, joka saatiin toimimaan eri operaattoreiden verkossa peräti 24 eri maassa. Verkon tekniikalla ei sinänsä ole väliä, se voi olla NBIoT tai LTE-M. Lue lisää etn.fi/9916.

8-BITTINEN TAKAA TURVALLISUUDEN Ruotsalainen sulautettujen työkalujen kehittäjä IAR Systems kertoo, että sen IAR Embedded Workbench -työkalut ovat saaneet saksalaisen testaus- ja sertifiointijärjestö TÜV SÜD:n sertifioinnin STMicroelectronicsin 8-bittisille STM8ohjaimille. IAR:n työkalujen sertifiointi kattaa kansainvälisen toiminnallisen turvallisuuden IEC 61508 -standardin sekä ISO 26262:n, joka on käytetyin autoelektroniikan laitteiden sertifiointitaso. Lue lisää etn.fi/9913.

FULLHD TULEE AUTOIHIN Renesasin RAA278842-piiri on autoelektroniikan ensimmäinen LCDohjainpiiri, joka tukee 1080p-luokan tarkkuutta. Ohjain hyväksyy tulona 4 eri MIPICSI2-kanavaa, joista jokaista pitkin voi tulla gigabitin grafiikkasignaali. Ohjain voi syöttää signaalit jopa neljälle 1920 x 1080 pikselin ruudulle. Lue lisää etn.fi/9908.

Page 10

Xilinx avaa FPGAresurssit koodaajille Uusimmat FPGA-piirit ovat massiivisia järjestelmäpiirejä, joissa FPGAosan lisäksi on prosessoreja, DSPlohkoja, grafiikkaprosessoreja, tekoälysuorittimia ja koko joukko muuta toiminnallisuutta. Tällaisen kokonaisuuden ohjelmointi vaatii periaatteessa erittäin laajaa laitesuunnittelun osaamista. Ei vaadi enää, väittää FPGA-talo Xilinx. Xilinx on esitellyt uuden Vitiskehitysalustan, jota talon sisällä on kehitetty viiden vuoden ajan ja tuhannen miestyövuoden verran. Kyse on alustasta, joka räätälöi Xilinx-laitteiston (FPGA-matriiseineen) softa- tai algoritmikoodiksi ilman, että prosessissa vaaditaan HDL-ohjelmoinnin asiantuntemusta. Vitis ei ole perinteinen yritys- tai laite/arkkitehtuurispefisi kehitysympäristö, vaan se liittyy suoraan yleisiin ohjelmistonkehitystyökaluihin. Vitis-ohjelmoinnissa voidaan hyödyntää laajaa valikoimaa avoimen koodin kirjastoja, joten koodaaja voi keskittyä algoritmeihinsa. Vitis-alustaa on kehitetty Xilinxin Vivadon pohjalta, mutta kyse on uudesta kehyksestä. Vivado on laajalti Xilinxin FPGA-asiakkaiden käytössä ja sen tukea yhtiö lupaa jatkaa, mikäli nämä haluavat jatkaa VHDL- ja Verilog-koodaamista. Xilinxin mukaan Vitis voi tosin tuoda teholisän myös näille suunnittelijoille, kun laitemoduuleja voidaan kutsua toimintoina suoraan ohjelmistosta.

Xilinxin mukaan Vitis on ohjelmistopinopohjainen arkkitehtuuri, jossa on neljä kerrosta. Pohjalla on Vitiskohdelaitteisto, johon sisältyy kortti ja esiohjelmoitu I/O-järjestelmä. Toisessa kerroksessa on Vitis-ydinkehityspaketti. Siinä Xilinxin oma avoin ajonaikainen kirjasto hallitsee datan liikuttelua järjestelmän eri osien välillä. Osiin voi kuulua esimerkiksi Xilinxin tulevien Vercal ACAP -järjestelmäpiirien tekoälymoottori. Kolmannella tasolla alustaan kuuluu yli 400 optimoitua avoimen koodin sovellusta kahdeksassa ei Vitiskirjastossa. Näihin kuuluu esimerkiksi konenäkökirjasto, lineaarialgebrakirjasto BLAS, tietokantakirjadto, jne. Näiden avulla kehittäjä voi kutsua valmiiksi kiihdytettyjä toimintoja piirille standardin ohjelmointirajapinnan kautta. Xilinxin mukaan keskeisin kerros ja samalla koko FPGA-markkinan kannalta mullistavin on neljäs eli Vitis AI. Siinä FPGA-piirin resurssit optimoidaan ja ohjelmoidaan hyödyntämään suosituimpien tekoälykehysten (kuten TensorFlow ja Caffe) malleja. Käytännössä koodaajalle annetaan työkalut, joilla voidaan optimoida, pakata ja kääntää valmiita AI-malleja ajettavaksi suoraan FPGA-piirillä. Tämä kaikki onnistuu noin minuutissa, Xilinx kehuu. Vitis AI:n rinnalle Xilinx lupaa pian tuoda toisen sovellusspesifin DSAarkkitehtuurin (domain spesific architecture). Tämä Vitis Video DSA mahdollistaa videoenkoodauksen tuomisen FPGApiirille yksinkertaisella koodikutsulla. Myös Xilinxin kumppanit kehittävät omia DSA-arkkitehtuureitaan, joita voidaan hyödyntää Vitiskehityksessä. Vitis-työkalut tulevat jo tässä kuussa ladattavaksi Xilinxin korttiasiakkaille.

ETNdigi - 2/2019


Siemens aikoo automatisoida ja digitoida kaiken

CONGATEC HALUAA PÖRSSIIN Saksalainen sulautettujen korttitietokoneiden kehittäjä congatec kertoo aikovansa listautua Frankfurtin pörssiin tämän vuoden loppuun mennessä. Yhtiö toivoo listautumisen tuovan sille lisärahaa, jolla voidaan tunkeutua vahvemmin erityisesti Aasian ja PohjoisAmerikan markkinoille. congatecissa on 250 työntekijää, jotka kasvattivat liikevaihdon viime vuonna 133 miljoonaan dollariin. Voittoa yhtiö teki viime vuonna 12,3 miljoonaa dollaria. Lue lisää etn.fi/9877.

USB4 JULKISTETTIIN

Tony Hemmelgarn johtaa uutta SIemens Digital Industries Software -yritystä, joka tunnettiin syyskuun alkuun asti nimellä Siemens PLM Software.

Kaikessa liiketoiminnassa pitää siirtyä digitaalisuuteen ja automatisoituihin prosesseihin. Siemens vauhdittaa tätä kehitystä uudella Xcelerator-alustallaan, johon on koottu yhtiön kehittämät ja hankkimat tekniikat ensimmäistä kertaa saman katon alle. Xcelerator koostuu ohjelmistoista, palveluista ja sovelluskehityksen työkaluista, jotka voidaan räätälöidä ja sovittaa kunkin teollisuudenalan ja jopa yrityksen tarpeisiin. Muutoksen myötä jättikonsernin Siemens PLM Software -ryhmän nimi muuttuu Siemens Digital Industries Softwareksi, joka kuvaa paremmin toiminnan kokonaisvaltaisuutta. Siemensin reilu vuosi sitten ostaman Mendixin sovellusympäristö on isossa roolissa uudessa Xcelerator-kokonaisuudessa. Mendixin työkaluilla sovelluksia voidaan koodata low code -menetelmin. Käytännössä yrityksen oman sovelluksen koodaaminen voi onnistua pitkälti visuaalisten mallien avulla, jolloin koodin vääntäminen jää minimiin. Mendix-työkalut on nyt liitetty Siemensin IoT-laitteiden avoimeen Mindsphere-käyttöjärjestelmään.

ETNdigi - 2/2019

Tavoitteena on, että kuka tahansa ekosysteemissä voi helposti rakentaa sovelluksia, joissa hyödynnetään kenen tahansa valmistajan IoT-laitteilla kerättyä dataa. Uuden Siemens Digital Industries Softwaren pääjohtaja Tony Hemmelgarnin mukaan Siemensillä on pitkä historia suunnittelun ja operationaalisen toiminnan välisen rajan hämärtämisessä. – Xcelerator jatkaa tätä perinnettä yhdistämällä toisiinsa ohjelmistot elektroniikan suunnittelusta tuotteiden elinkaaren hallintaan. Hemmelgarnin mukaan uniikkia uudessa kokonaisuudessa on kyky rakentaa personoituja sovelluksia, jotka voivat kerätä palautetta ja syöttää ne takaisin suunnitteluun ja tuotantoon. Siemens aloitti Xceleratoriin huipentuvan siirtymänsä jo vuonna 2007, kun se osti ensimmäisen ohjelmistoyrityksen Yhdysvalloissa. Sen jälkeen yhtiö on kuluttanut yritysostoihin rahaa 10 miljardia dollaria muuttuakseen digitaalisen teollisuuden keskeiseksi peluriksi. Mendixin lisäksi keskeisiin ostoihin kuuluu EDA-talo Mentor Graphics.

USB Implementers Forumin julkistama USB4 perustuu C-tyypin liittimeen, Thunderboltväylän huikeaan nopeuteen ja mahdollisuuteen ladata laitteita jopa 100 watin teholla. Väylän teknisen määrittelyn työryhmistä on valunut tietoja, joiden mukaan eri nopeusluokkia tultaisiin myös USB4:ssa nimeämään eri tavoin. Tulossa olisi USB4 Gen 2x2, joka tarkoittaisi 10 gigabittiä kahta linjaa pitkin eli 20 gigabittiä sekunnissa. USB4 Gen 3x3 tarkoittaisi sitten 2 x 20 gigabittiä eli Thunderbolt 3:n 40 gigabitin maksiminopeutta. Lue lisää etn.fi/9824.

WIFI-OHJELMISTO RATKAISEE SISÄTILAPAIKANNUKSEN? Amerikkalaistutkijat ovat kehittäneet softapohjaisen ratkaisun, joka hyödyntää wifisignaaleja ja älypuhelimien liikeantureita. North Carolina State Universityn tutkijat kutsuvat tekniikkaansa nimellä WIO. Lyhenne tulee sanoista WiFi-assisted Inertial Odometry eli kyse on wifi-avusteisesti liike- ja nopeusmittaamisesta. WIO:n virhemarginaali on 5,9-10,5 prosenttia. Lue lisää etn.fi/9803.

RASPBERRY PIN VOI OHJELMOIDA VISUAALISESTI Raspberry Pi -säätiön kehittäjät ovat lisänneet suositulle kortille tuen MIT:n visuaaliselle Scratch 3.0 -ohjelmoinnille. Sen myötä kortilla voidaan ohjelmoida esimerkiksi animaatioita koodaamatta riviäkään. Säätiö suosittaa Scratch 3.0 -käyttöön nelospolven korttia, jossa on vähintään kaksi gigatavua RAM-muistia. Vanhemmilla korteilla ja pienemmillä muisteilla ympäristö ei toimi sujuvasti. Scratch 3.0 voidaan asentaa vain Rasbpian Buster -ympäristöön. Lue lisää etn.fi/9786.

Page 11


UUTISET

Seuraavaa autoasi ei testata tien päällä Autoista tulee lähivuosina koneoppimisalgoritmeja prosessoivia tietokoneita renkailla. Kehityksellä on valtavat seuraukset paitsi kuljettajille ja autonvalmistajille, myös suunnittelutyökalujen kehittäjille. Tulevaisuudessa autot sertifioidaan virtuaalisesti, ei ajamalla satojatuhansia kilometrejä.

sertifioimaan virtuaalisesti, koska valmistajille ei ole mahdollisuuksia verifioida järjestelmiä ajamalla miljoonia kilometrejä. Muutos on jo käynnissä. Yhdysvaltain ilmailuhallinto FAA on jo hyväksynyt sen, että Boeing todisti uuden siipirakenteen toiminnallisuuden virtuaalisen mallin

Näin esitti Siemensiin kuuluvan Mentorin verifiointiratkaisuista vastaava johtaja Ravi Subramanian Mentor Forun tapahtumassa Helsingissä lokakuun lopulla. Väite on kova, mutta Subramanianin perusteet ovat vankat.

Ei muutos koske vain ajoneuvoja tai lentokoneita, vaan lyö läpi kaiken. Subramanianin mukaan tulevaisuudessa laskenta erikoistuu. – Yleiskäyttöisen laskennan päivät ovat luetut. Selvimmin muutos on näkynyt datakeskuksissa. Ennen yleiskäyttöisen CPU:n hallitsema markkina on nyt grafiikkaprosessorien temmellyskenttää, koska GPU sopii arkkitehtuurina koneoppimiseen. GPU:n valtakausi jää kuitenkin lyhyeksi, ehkäpä vain muutamaksi vuodeksi.

- Verifioinnin kustannukset kasvavat pian suunnittelukustannuksia suuremmaksi. Auton valmistuskustannuksista jopa 70 prosenttia koostuu järjestelmien verifioimisesta, Subramanian esittää. Tällä hetkellä autoissa on 50-100 miljoonaa rivi koodia. Määrä kasvaa pian 300 miljoonaan koodiriviin. - Koko autoala on mullistumassa täysin elektroniikan osuuden kasvaessa. Tulevaisuudessa autot tullaan

avulla. Lentokoneissa hydrauliikka-, mekaniikka- ja pneumatiikkajärjestelmiä korvataan yhä enemmän elektroniikalla. Tämä merkitsee myös ohjelmiston määrän kasvua näissä järjestelmissä.

Tulevaisuudessa laitteistosta tulee niin abstraktia suunnittelijoille ja käyttäjille, että vain hyvin harvojen tarvitsee hallita HW-suunnittelu. Olemme jo nyt tilanteessa, jossa piirisuunnittelijoita on vaikea löytää, sanoo Siemensin CI-verifioinnin divisioonasta vastaava johtaja Ravi Subramanian.

- Koneoppimisen laskentaresurssit kaksinkertaistuvat tällä hetkellä 3,5 kuukauden välein. Tulevaisuus kuuluu koneoppimiseen ja algoritmien suorittamiseen erikoistuneille ASICpiireille, Subramanian sanoo. ASIC siis tulee takaisin.

Kolme nanometriä onnistuu teknisesti Kaikkein edistyneimmät mikropiirit valmistetaan tällä hetkellä seitsemän nanometrin prosessissa EUVtekniikalla. Sopimusvalmistaja TSMC:n markkinoinnista Euroopassa vastaavan John Chinin mukaan seuraavaksi on vuorossa 5 nanometriä. – Teknisesti voimme nähdä, että kolme nanometriä on täysin mahdollinen, hän sanoi Mentor Forum -tapahtumassa Helsingissä lokakuun lopulla.

suunnittelut siis voidaan viedä kuuteen nanometriin, jolla logiikan tiheys paranee 18 prosenttia.

Chin muistuttaa, että TSMC on valmistusyritys. – Periaatteessa me vain kasvatamme ja leikkaamme.

- N6-prosessissa olemme aloittamassa riskituotantoa ensi vuoden ensimmäi-

Uusimmat prosessit tulevat aina logiikkapiireihin, yleensä vielä vuosia ennen muita piirejä. Kun vaikkapa kännykkäpiirejä valmistetaan nyt 7 nanometrin viivanleveydellä, RFpiireissä sitä vasta suunnitellaan. – Ensimmäiset 7 nanometrin wifi-piirit voivat tulla markkinoille ehkä 2021, Chin arveli.

Chinin mukaan CMOS-logiikka kehittyy myös kolmen nanometrin jälkeen. – Puhutaan noin nanomet-rin viivanleveydestä, mutta sen pidemmälle ei tiedä kukaan. Käytännössä puolijohdevalmistuksen tulevaisuus osataan kertoa siis noin viisi vuotta eteenpäin. Tällä hetkellä TSMC:llä on työn alla N6-prosessi, joka on GDS-yhteensopiva nyt linjalla olevan N7-prosessin kanssa. Periaatteessa

Page 12

sellä neljänneksellä. Viiden nanometrin N5-prosessissa riskituotanto on alkanut jo maaliskuussa ja kaupallisesti prosessi tuodaan tarjolle ensi vuonna, Chin paljasti. Testipiirinä N5-kehityksessä käytetään nyt 112 gigabitin serdespiiriä.

TSMC:n tekninen kehitys on ollut huikeaa. Esimerkiksi N7-prosessi on ollut massatuotannossa huhtikuusta 2018 lähtien ja asiakkaille on toimitettu jo yli miljoona kiekkoa. – Vuodessa virheiden määrä kiekolla on kutistunut pienemmäksi kuin N20- tai N16prosesseissa. Mikään valmistusprosessi ei ole tullut valmiimmaksi N7:ää nopeammin, Chin kehuu.

ETNdigi - 2/2019


Uusi työkalu näyttää piirin ja laitteen lämmöntuoton

MUUNTIMIA VOI SUUNNITELLA TUNNEISSA Singaporen kansallisen yliopiston (NUS) Green IC -työryhmä on kehittänyt uudenlaisen, täysin automatisoidun suunnitteluvuon DA- ja AD-muuntimien kehitykseen. Sen ansiosta muuntimien suunnitteluun kuluva aika lyhenee nykyisestä kuukausista vain tunteihin. Lue lisää etn.fi/10051.

EDULLINEN ELEOHAJUS KAIKKIIN PUHELIMIIN

Cadence Celsiuksen tuottama kuva 3D-piirirakenteen lämpötilaprofiilista.

Lämpö on kaiken elektroniikan pahin vihollinen. Suunnittelijat käyttävät erilaisia työkaluja, joilla komponentin tai piirikortin elinikää voidaan ennustaa sen lämmöntuoton avulla. Nyt Cadence Design Systems on vienyt lämpösimuloinnin uudelle tasolle. Yhtiö on julkistanut Celsius Thermal Solver -työkalun, joka on markkinoiden ensimmäinen sähköiset liitännät, komponenttien toiminnan ja niiden lämpökäyttäytymisen huomioon ottava simulointityökalu.

lämpöanalyysin niin piiristä, liitännöistä, korteista kuin koko järjestelmästä kotelointeineen.

YLEISELETRONIIKKA LAHJOITTI ANALYSAATTOREITA

Cadence esimerkissä on analysoitu kokonainen älypuhelin. STEPmallinnustiedoston eli CAD-datan avulla älypuhelimen lämmöntuotto analysoitiin 10 kertaa nopeammin kuin aiemmin tarjolle olleilla työkaluilla.

Yleiselektroniikka juhlisti yrityksen 50-vuotista taivalta lahjoittamalla Aalto-yliopistolle 14 000 euron arvoisen tuotelahjoituksen. Sähkötekniikan korkeakoulun 1700 opiskelijan käyttöön saadaan Mini-Circuitsin korkeakoulukäyttöön räätälöityjä vektoriverkkoanalysaattoreita. Lue lisää etn.fi/10046.

Cadencella tällainen järjestelmätason simulointi on vielä varsin uusi alue. Aiemmin tänä vuonna julkistettu Clarity 3D Solver oli oikeastaan sen ensimmäinen tämän luokan simulaattori.

Tämä nopeuttaa laitteiden suunnittelua. Erityisesti 3Dkotelointeja laitteissaan käyttävät yritykset ovat suurten haasteiden edessä tällä hetkellä. Kortille tai piirille tulevat lämpökeskittymät aiheuttavat helposti tarvetta uudelleensuunnitteluun, mikä hidastaa projekteja ja tuotteiden markkinoille tuomista.

Celsius integroituu saumattomasti Cadencen IC-suunnittelun, kotelosuunnittelun ja piirikorttityökaluihin. Työkalussa on yhdistetty kiinteiden komponenttien FEA-analyysi (finite element analysis) jäähdytysnesteiden CFD-analyysiin (computational fluid dynamics). Näin se voi tuottaa tarkan

Cadencen mukaan suunnittelija voi käyttää rinnan Celsiusta, Claritysimulaattoria, tehonsyötön analyysin Voltus-työkalua sekä Sigrity-työkalua koteloinnin analyysiin, ja saada tällä yhdistelmällä simuloitua niin virran kuin lämmön liikkeen laitteessa järjestelmätasolla.

ETNdigi - 2/2019

Taiwanilainen KaiKuTek on tuomassa markkinoille piirin, joka tekee eleohjauksesta jokaisen älypuhelimen ominaisuuden. 60 gigahertsin tutkapiirit valmistetaan tyypillisesti kalliissa piigermanium- eli SiGe-prosessissa. Sen sijaan KaiKuTekin piiri on valmistettu standardissa CMOS-prosessissa, minkä ansiosta piiri on merkittävästi edullisempi. KaiKuTek on yhdistänyt yhdelle sirulle sekä antennit että mikroaaltoalueen radiopiirit. Kotelo on uudenlainen AiP- eli Antenna-inPackage -tyyppinen. Lue lisää etn.fi/10047.

OULUSSA MITATAAN INFRAPUNAA AALLONPITUUS KERRALLAAN Oulun yliopiston Optoelektroniikan ja mittaustekniikan yksikön (OPEM) tutkijat ovat keksineet uuden menetelmän äärimmäisen herkkien fotoilmaisinten valmistamiseen. Uusilla antureilla mitataan erittäin tarkasti haluttua infrapunasäteilyn spektriä aallonpituus kerrallaan. Menetelmä perustuu kvanttipisteisiin. Kun kvanttipisteet ovat tasalaatuisesti samankokoisia, niillä voidaan mitata kapea viivamainen spektri. Mitattu aallonpituus määrittyy kvanttipisteen koosta. Kvanttipisteet on kehitetty yhteistyössä Toronton yliopiston kanssa. Lue lisää Oulun yliopiston sivuilta.

Page 13


UUTISET

SUUNNITTELUDATA KULKEE VAPAASTI TYÖKALUJEN VÄLILLÄ

RTOS-kehitys onnistuu nyt Pythonilla ja Rustilla

PathWave on mittaustalo Keysightin ratkaisu suunnittelu-, simulointi- ja testidatan saumattomaan liikkumiseen eri työkalujen välillä. Vuosi sitten esitellystä alustasta on nyt esitelty päivitetty versio. PathWave Test 2020 -ohjelmisto antaa 5G-, IoT- ja autojen elektroniikkajärjestelmien suunnittelijoille mahdollisuuden jakaa testi- ja analyysidataa eri työkalujen välillä. Datanjako kattaa niin testausautomaation asetukset, mittausdatan, signaalingeneroinnin kuin mittausdatan analyysinkin. Lue lisää etn.fi/10041.

MAAILMAN NOPEIN SSD-LEVY Micronin uusi X100-levy siirtää dataa peräti 9 gigatavun sekuntinopeudella. Tämä on noin kolme kertaa nopeammin kuin nopeimmat kuluttajapuolen PCIe 4.0 -väyläiset AMD:n Ryzen 3000 -prosessoriin kytketyt muistit. X100-muisti perustuu Micronin ja Intelin yhdessä kehittämään Xpoint-tekniikkaan. Se lupaa olla 1000 kertaa NAND-piirejä nopeampi ja kestävämpi ja mahdollistavan 10 kertaa DRAM-muistien tiheyden. Lue lisää etn.fi/10040.

AALTO-YLIOPISTON KAMPUS SAI OMAN 5G-VERKKONSA Aalto-yliopiston Otaniemen kampukselle on avattu Euroopan laajimpiin kuuluva eikaupallinen 5G-verkko. Sen ansiosta tutkijat, opiskelijat ja yritykset voivat kehittää sekä kuluttajille että teollisuuteen suunnattuja laitteita ja sovelluksia aidossa 5Gympäristössä. Verkko kattaa myös Otaniemen kampuksen ulkoalueet. Lue lisää etn.fi/10031.

ELEKTRONIIKAN TILAUKSET EDELLEEN KASVUSSA Teknologiateollisuuden tuore tilauskantakysely osoittaa, että maamme sähkö- ja elektroniikkateollisuuden uudet tilaukset ovat edelleen kasvussa. Myös tilauskannan arvo kasvoi heinä-syyskuussa. Tilaukset ovat olleet nyt kasvusuunnassa jo lähes kolmen vuoden ajan. Elektroniikka- ja sähköteollisuuden yritysten liikevaihto kasvoi tämän vuoden tammi–heinäkuussa 14 prosenttia viimevuotisesta. Viime vuonna alan yritysten liikevaihtoa oli Suomessa kaikkiaan 15,6 miljardia euroa. Lue lisää etn.fi/10025.

Page 14

VxWorksin mikrokernelin rinnalla voidaan ajaa ajonaikaisia ympäristöjä, joissa hyödynnetään C11-, C++17-, Boost-, Python- tai Rust-koodia.

C ja C++ ovat hallinneet RTOSkehitystä pitkään, jopa 30 vuoden ajan. Tämän päivän koodarit suosivat uusia kieliä kuten Python ja Rust. Siksi Wind River on lisännyt suosittuun RTOSiin eli reaaliaikakäyttöjärjestelmäänsä VxWorksiin tuen näille kielille.

Rustin suosio taas perustuu tietoturvalle. Kieli on alusta asti kehitetty turvalliseksi ja suojatuksi. – Ei ole ihme, että Firefox tai Facebookin virtuaali-valuutta Libra on koodattu Rustilla . Microsoft on vaihtamassa C-kielen Rustiin Windowsissa.

VxWorksin markkinoinnista vastaavan Michel Chabrouxin mukaan kyse on luonnollisesta kehityksestä. – Tämän päivän suunnittelijat pitävät uusista työkaluista ja kielistä, ja siksi VxWorks on nyt maailman ainoa RTOS, joka tukee C++:n 17-versiota, uutta Python 3.8:aa ja Rustia.

VxWorksia on paranneltu muutenkin. Käännin on nyt LLVM-pohjainen, mikä tuottaa nopeampaa, tiiviimpää ja tehokkaampaa koodia. – Siirtymistä avoimen koodin kääntimeen ja infraan ylipäätään tehtiin yli vuoden ajan, Chabroux sanoo.

- Koodaajien tarpeet muuttuvat. Alle 3-kymppinen kehittäjä ei halua tehdä EEPROM-ohjelmointia, vaan käyttää tuttuja kieliä myös kriittisissä sulautetuissa sovelluksissa. Chabrouxin mukaan Python on noussut suosituksi – ehkäpä jo suosituimmaksi – kieleksi ansaitusti. Käytännössä kaikki verkkokoodi ja koneoppimismallit syntyvät sillä tehokkaasti. - Koneoppimismallin voi tehdä 9 rivillä Pythonia. C:llä sama vaatii satoja koodirivejä, Chabroux selventää.

Protokehittäjille Wind River tarjoaa jatkossa valmiita BSP-korttiohjelmistoja (board supper package) esimerkiksi Raspberry Pille. – Tätä kehittäjät halusivat ja me vastasimme toiveeseen. Chabrouxin mukaan tämän päivän RTOSin täytyy tukea niitä kieliä, kehitysympäristöjä ja kehyksiä (framework), joita koodaajat suosivat. Vain siten VxWorks pysyys mukana kisassa, jossa vaikkapa tulevaisuuden autonomisten ajoneuvojen käyttöjärjestelmiä ratkotaan. Robottiautot ovat hänen mukaansa se sovellusalue, josta VxWorksin kasvu löytyy lähivuosina.

ETNdigi - 2/2019


KOLUMNI

innovoinnin

RISC-V tuo järjestelmien suunnitteluun Microchipillä keskeistä ei ole ISAkäskysarja-arkkitehtuuri tai piiri, vaan kykymme tukea laajan asiakaskunnan prosessointitarpeita, jotka vaihtelevat laajasti eri sovellusalueilla ja markkinoilla. Haluamme tarjota PIC-, AVR-, Arm-, MIPS- ja nyt myös RISC-V piirejä ja kehitystyökaluja asiakkaillemme kaikenlaisina valittavina vaihtoehtoina, kirjoittaa Tim Morin, joka toimii Microchipin FPGA-liiketoimintayksikön tuotemarkkinoinnin johtajana.

SEURAAVAN SUKUPOLVEN FPGA-piireillemme on integroitu prosessorialijärjestelmä ASIC-lohkona, ja valitsimme RISC-V-käskykannan kaupallisesti tarjolle olevien arkkitehtuurien sijaan, koska se palvelee paremmin loppumarkkinoita ja asiakkaitamme. Piirit ovat erittäin tietoturvallisia, keskitason SoC-FPGAjärjestelmäpiirejä, joita käytetään laajasti kaikilla muilla markkina-alueilla paitsi mobiililaitteissa. FPGA-järjestelmäpiireillä on erilaisia sovellusvaatimuksia näille eri loppumarkkinoille. Vastikään lanseeratulle PolarFire-järjestelmä-piireillemme päätimme tuoda markkinoille keskiluokan vähävirtaisen FPGA-piirin, joka pystyisi ajamaan Linuxin kaltaista käyttöjärjestelmää. Kun päättää tukea tällaista rikasta käyttöjärjestelmää tulee samalla abstrahoineeksi sovellusohjelmistokehittäjän irti alla olevasta käskykannasta ja mikroarkkitehtuurista. On totta, että käskykanta yhdessä mikroarkkitehtuurin kanssa tuo tietyt teho-, suorituskyky- ja piiala-ominaisuudet (PPA, Power, Performance, Area) tietylle sovellukselle, mutta sovelluskehittäjälle kyse on lähinnä laskennan, I/O:n ja muistin hallinnasta. Jotkut kysyvät tietenkin ”Entäpä ekosysteemi? Toisille käskykannoille on olemassa niin paljon tukea”. TÄMÄ ON TOTTA ja tätä pitääkin odottaa kypsältä käskykannalta. Mutta

ETNdigi - 2/2019

kannattaa pitää mielessä, ettei millään kahdella markkinoilla olevalla SoC-piirille ole samanlaista muistinmappausta, I/O:ta, väyläkytkintä, muistiohjainta, käynnistysprosessia, jne. Jokainen prosessoritoimittaja suunnittelee ja valmistaa tuotteita asiakkaiden tarpeisiin, eikä kaikilla asiakkailla koskaan ole samoja tarpeita. Ekosysteemit ovat hajanaisia ja jopa saman käskykannan sisällä suunnittelu täytyy kääntää, jos siirtyy toimittajalta A toimittajaan B. Tämä ei tule koskaan muuttumaan. Tämä on myös pääasiallinen syy, miksi OEMyritykset siirtyvät rikkaaseen käyttöjärjestelmään ja abstrahoivat allaolevan piin. Kaikki SoC-piirit ovat erilaisia! Kun ohjelmistonsuunnittelijoita on 10 jokaista rautasuunnittelijaa kohti, yritykset hyödyntävät näiden ohjelmistokehitystä niin paljon kuin mahdollista. KUN TEIMME PÄÄTÖKSEN tukea rikasta käyttöjärjestelmää, pääsimme arvioimaan mitä asiakkaidemme vaatimukset täyttäviä prosessori-IP:tä markkinoilla oli tarjolla. Tiesimme, että lopulta käyttöjärjestelmä abstrahoi kaiken tämän pois, teho-suorituskykypiiala -vaatimuksia lukuunottamatta tietenkin. Tämän takia päädyimme valitsemaan RISC-V:n. RISC-V antoi meille mahdollisuuden innovoida arkkitehtuuritasolla ilmaiseksi. Se antaa asiakkaillemme mahdollisuuden vaikuttaa mikroarkkitehtuuriin tavoilla, joiden ei aiemmin uskottu olevan mahdollisia. Tämän ansiosta he voivat kehittää räätälöityjä suunnitteluja esimerkiksi kuvantamisen ja koneoppimisen sovelluksiin, turvallisuuskriittisiin järjestelmiin, teollisuuden IoTratkaisuihin, suojattuun tietoliikenteeseen ja asejärjestelmiin. Esimerkiksi PolarFirejärjestelmäpiireihin rakensimme yhdessä IP-kumppani SiFiven kanssa 5-ytimisen prosessorialijärjestelmän, jolla voidaan ajaa kovia reaaliaikasovelluksia (hard real-time) sovelluksia ja SMP-Linuxia koherentilla viestivaihtojärjestelmällä samassa prosessorialijärjestelmässä käyttäen samaa käskykantaa.

KUINKA TÄMÄ TOTEUTETTIIN? Kaikki lähtee asiakkaiden vaatimuksista, joilla voidaan ohjata konetta deterministisesti ja samalla hyödyntää Linuxekosysteemiä yhä pienemmissä laitteissa, joissa on joko lämpö- tai pienen tehonkulutuksen budjetit. Jotkut suhteellisen yksinkertaiset muutokset olemassa oleviin CPU-määrityksiin antoi mahdollisuuden tähän. Muutoksiin kuuluivat: Käyttäjille annettiin mahdollisuus muuntaa osia L1-muistialijärjestelmästä tiukasti integroituun muistiin, johon on suora pääsy ja jossa ei tule lukuvirheitä. Käyttäjille annettiin mahdollisuus sammuttaa säikeenennakointi (brach predictions) millä tahansa ytimellä. Käyttäjille annettiin mahdollisuus partitioida L2-muistialijärjestelmä ns. Löysästi integroiduksi LIM-muistiksi (Loosely Integrated Memory). LIM-muisti voidaan sitoa prosessoriin determinististä prosessointia varten. Lopputuloksena PolarFire-järjestelmäpiiri antaa asiakkaiden käyttöön innovatiivisen RISC-V-arkkitehtuuriin perustuvan FPGA-järjestelmän, joka antaa heille mahdollisuuden tuoda yhteen reaaliaikasovellukset ja Linuxin yhdellä piirillä. Tämän ansiosta he voivat toteuttaa vähävirtaisia, turvallisia ja luotettavia suunnitteluja.

Tim Morin, tuotemarkkinointijohtaja Microchip

Page 15


MAKSIMITEH irti palvelinkortilta

Andreas Bergbauer congatec

Sulautetut kortti- ja mikropalvelimet tarvitsevat paljon suorituskykyä. Jos haluaa rakentaa tällaisen suorituskykyisen järjestelmän palvelinmoduuleilla rankkoihin olosuhteisiin, tarvitsee COM Express Type 7 -pohjaisen ekosysteemin ja mahdollisuuden kehittää lämpöteholtaan 100 watin kone ilman tuuletinta. AMD EPYC Embedded 3000 -sarjan prosessoreilla congatec on tuonut tällaisen tehon volyymeissä tarjolle ensimmäistä kertaa. Mahdollisuudesta päivittää suorituskykyä helposti on tulossa vakio-ominaisuus sulautettujen verkon reunalla toimivien edge-korttipalvelimien ja mikropalvelinten toiminnallisissa määrityksissä. Tämä johtuu ensinnäkin siitä, että tehtävät reunasovelluksissa eroavat toisistaan suuresti. Tärkein syy on kuitenkin se, että vaatimusten odotetaan kasvavan tasaisesti ajan kuluessa. Yhä enemmän toimintoja sulautetaan yksittäisille edgepalvelinalustoille. Tietoliikenne- ja tietoturvavaatimukset kiristyvät myös koko

Page 16

ajan. Se mikä näyttää riittävän tänään, voi olla vanhentunutta huomenna. Siksi pitää varmistaa erityisesti kustannustehokkaan suorituskyvyn nostamisen mahdollisuus. EDULLISTA LISÄTEHOA PALVELINMODUULEILLA Suorituskyvyn lisääminen onnistuu erityisen hyvin palvelinmoduuleilla. Ne on standardoitu PICMG:n COM Express Type 7 -määrityksessä. Luotettavat

ETNdigi - 2/2019


HO

avoimiin standardeihin perustuvat kehityspolut on jo muodostettu niin, että sekä tämä korttiluokka että tuleva COM-HPC-standardi ovat valmiita tulevaisuutta varten. Ekosysteemistä kuitenkin puuttui aiemmin valmiit, kaupalliset COTSratkaisut (Commercial off-the-shelf), joiden avulla tehokkaita ratkaisuja voisi toteuttaa ”suoraan kaupan hyllyltä”. Jo tarjolla olevien moduulien ja kantakorttien valikoimasta puuttuivat sekä suorituskykyiset jäähdytysratkaisut yli 65 watin lämpötehoarvoihin (TDP) että sopivat palvelintason etähallintatoiminnot. Nyt molemmat ovat saatavilla. congatec toteutti tämän esimerkiksi laajentamalla ilman tuuletinta toimivien suunnittelujen alueen kattamaan konvektiojäähdytetyt 100-wattiset järjestelmät. Tämä on vaikuttava 53

ETNdigi - 2/2019

prosentin parannus COM Express Type 7 -suunnitteluissa, eikä aiemmin ole ollut tarjolla tällaista kaupallista ratkaisua, jota laitevalmistajat voisivat välittömästi hyödyntää ostetuilla komponenteilla. SULAUTETTU PALVELIN KONDUKTIOLLA AINA 100 W ASTI Uudet AMD EPYC Embedded 3000 sarjan prosessoreihin perustuvat conga-B7E3 -moduulit voidaan nyt varustaa sovellusvalmiilla lämmönjohtimilla ja tehokkailla tuulettimilla, tai vaihtoehtoisesti jäähdytysputkisovittimilla, joiden avulla päästään tehokkaaseen putkijäähdytykseen jopa erittäin litteissä 1U-palvelimissa. Mikäli 65-100 watin järjestelmät suunnitellaan niin, että myös ne pärjäävät ilman pyöriviä tuulettimia, voidaan kehittää erittäin kestäviä eli robusteja sulautettuaja palvelimia, jotka sopivat

Page 17


lukuisiin edge-sovelluksiin teollisessa IoT:ssä ja Teollisuus 4.0:ssa. 100-wattisten sulautettujen edgeja mikropalvelinten sovellusalueisiin kuuluvat esimerkiksi 5Greunadatakeskukset, teollisuus 4.0 -palvelimet ja älykkäiden robottisolujen, cobottien ja autonomisten robottien ja logistiikka-ajoneuvojen palvelimet, joissa on nopeaa kuvankäsittelyä ja esimerkiksi tilannetietoisuutta lisääviä antureita. Ekosysteemi sopii myös virtualisoituihin kovaa käyttöä kestäviin (rugged) asennuksiin, joilla tehdään teollisuusreititystä, kosketusinternetiä, palomuureja ja murtohavaintoja, sekä VPNteknologioita. Näitä voidaan toteuttaa myös yhdessä erilaisten reaaliaikaohjausjärjestelmien ja tekoälyn neuraaliverkkojen kanssa. 1U-RÄKKIEN KANTAKORTIT JA 5x5-KORTIT Uusien jäähdytysratkaisujen lisäksi congatecin uusi 100-W ekosysteemi sisältää aloituspaketteja, jotka perustuvat kahteen eri sovellusvalmiiseen palvelintason kantakorttiin. Nämä ovat conga-X7EVAL ja congaSTX7. Niiden ominaisuuksiin kuuluu useita 10GbE-liitäntöjä, jotka on toteutettu palvelinmääritysten mukaisesti SFP+paikkoina sekä kupari- että kuituoptisille kaapeleille. Esimerkinomaisina edge-palvelinsuunnitteluina ne toisaalta sopivat 1U-

räkkijärjestelmiin ja toisaalta PCkoneformaattiin, ja ne voidaan modifioida spesifien asiakasvaatimusten mukaisesti. Vastaavat suunnittelupalvelut on jo määritelty yhdeksi ekosystee-min osaksi congatecin toimesta.

Kuva 1: congatecin sulautettujen edge- ja mikropalvelimien 100-W-ekosysteemin tavoitteena on tarjota laitevalmistajille sovellusvalmiita moduuleja, joilla ne voivat toteuttaa omat tilaa säästävät palvelinsuunnittelunsa.

TEHOKASTA RÄÄTÄLÖINTIÄ Asiakaskohtainen eli kustomoitu kantakorttisuunnittelu ei aina ole välttämätöntä, koska molemmissa kantakorteissa on integroitu laajennusliitin (feature connector), jolla OEM-yritys voi toteuttaa omat spesifit laajennuksensa. Tämä on erityisen hyödyllistä erittäin kompakteissa kantakorteissa kuten mini-STXformaatin conga-STX7/Carrier kortissa, joka on mitoiltaan vain 5,5 x 5,8 -tuumainen. Sen avulla asiakkaat voivat käyttää 220-

Kuva 2: Kaksi erilaista jäähdytysratkaisua yhteen tehtävään: järjestelmän rakenteesta ja kestävyysvaatimuksista riippuen 65-100 lämpötilabudjetissa voidaan valita jäähdytys joko johdinputkilla ja tuulettimilla, tai lämpöputkisovittimilla, jotka lämpöä voidaan johtaa kehikon jäähdytyselementteihin jopa 1U-räkkijärjestelmissä.

Page 18

nastaista feature-liitintä toteuttaakseen ne COM Express Type 7 -standardin liitännät, jotka eivät sovi pieni-kokoiselle standardille kanta-kortille kustomoiduilla laajennuskorteilla. Tähän congatec käyttää samaa liitintä, jotka käytetään myös moduulin ja kantakortin välillä COM Expressissä. Vastaavat suunnitteluohjeet, jotka kuvaavat näiden laajennusten kehittämistä, voidaan ottaa suoraan PICGM:n kantakortin suunnitteluoppaasta. Tämän uuden, erittäin paljon tilaa ja korkeutta säästävän kantakortin laajennusliittimen käyttö kannattaa aina niille OEM-taloille, jotka haluavat laajentaa standardia kantakorttiaan sisältämään yksittäisiä toimintoja ilman turvaa hässäkkää. Ensimmäinen kortti, jota voidaan käyttää uudella COM Express Type 7 -kantakortin laajennusliittimessä on PCIe-laajennusmoduuli. Sen avulla laitevalmistaja voi esimerkiksi liittää kortille yleiskäyttöisen, erillisen grafiikkaprosessorin (GPGU) koneoppimiseen ja päättelyjärjestelmiin tai useiden teratavujen verran PCIepohjaisia flash-muistia big datan vaatimuksiin. PALVELINTASON HALLINTA Sulautetuissa järjestelmissä tarvitaan kuitenkin enemmän kuin skaalautuvaa suorituskykyistä rautaa ja sopivia jäähdytysratkaisuja, jotta voidaan tarjota palvelintason suorituskyky. Tätä varten niiden pitää myös tarjota kattavat hallintatoiminnot. Ne ovat keskeisen tärkeitä laajasti jaetuissa sulautetuissa edge- ja mikropalvelimissa, ja eroavat selvästi siitä, mitä aiemmin käytettiin erillisissä sulautetuissa tietokonejärjestelmissä. Tämän takia congatec integroi 100-W-ekosysteemiinsä myös kattavat RAS-toiminnot (reliability, availability, and serviceability), jotka on integroitu myös AMD EPYC Embedded

ETNdigi - 2/2019


3000 -prosessoreille. Tällainen on esimerkiksi ensimmäistä kertaa koskaan palvelinluokan kortinhallinnan ohjain (BMC), joka mahdollistaa pääsyn järjestelmiin sekä palvelun ulkopuolella (outof-service) että erillisliitännän kautta (out-of-band). Yhdessä nämä takaavat erittäin tehokkaan etämonitoroinnin, -hallinnan ja ylläpitotoiminnot, jollaiset ovat tavallisia kaupallisissa datakeskuksissa, ja joilla voidaan optimoida jaettujen laitteiden kokonaiskustannuksia. Tämä kaikki on nyt kuitenkin suunniteltu siten, että se toimii myös kovissa olosuhteissa. Kortin hallintaohjaimelle congatec valitsi Apeedin AST2500-piirin, joka perustuu 800 megahertsin Arm11-prosessoriin, tukee 1600 megabittiä sekunnissa siirtävää DDR4-muistia ja tuo piirille lisätyn PCIe 2D VGA liitännän hallintapaneelille. Näin congatec optimoi ohjaimen firmware-ohjelmiston vastaamaan sulautettujen edge- ja

Kuva 3: Kaksi 100-W -kantakorttia tehokkaisiin palvelintoteutuksiin kahdella täysin eri sovellusalueella. yksi on kehitetty pieniin palvelinkoneisiin 5x5 tuuman Mini-STXformaatissa ja toinen tuo kaikki COM Express -toiminnot käyttöön ja sitä voidaan käyttää asiakaspohjaisten suunnittelujen perustana.

mikropalvelimien hallinnan vaatimuksiin. Näihin kuuluvat kyky käyttää COM Express Type 7 -standardin sulautettuja rajapintoja kaikkien tarvittavien tapahtumalokien toteutukseen ja hälytyksiin etähallintajärjestelmän anturitoteutuksen kautta. Lisäksi toteutettiin sekä IPMI-tehonohjauskäskyt että KVM- ja

median uudelleenohjaustoiminnot tukemaan sekä paikallisesti liittyneitä palvelinkonsoleita että KVM-virtuaalikoneita (kernel based virtual machine). Isäntäkoneen debuggauskonsoli ja sen perusteella kytkentä eri isäntäjärjestelmien välillä täydentävät tämän julkaisun 1.0version.

AMD EPYC Embedded 3000 -palvelinmoduulin ominaisuudet conga-B7E3 sisältää AMD:n EPYC Embedded 3000 prosessorit 4, 8, 12 tai 16 suorituskykyisellä ytimellä ja ne tukevat samanaikaista multisäikeistystä (SMT) ja jopa 96 gigatavua DDR4 2666 RAM muistia COM Express Basic formaatissa. Täysin kustomoiduissa suunnitteluissa muistia voi olla jopa 1 teratavu. Vain 125 x 95 millimetrin kokoisena COM Express Basic Type 7 -moduuli tarjoaa jopa neljä 10GbE- ja jopa 32 kolmannen polven PCIe Gen 3 -linjaa. Tallennustilaksi voidaan integroida teratavun NVMe-

ETNdigi - 2/2019

ohjatun SSD-levyn ja perinteisille kiintolevyille voidaan lisätä kaksi SATA 3.0 -porttia. Muihin liitäntöihin kuuluvat neljä USB 3.1 Gen 1 -porttia, neljä USB 2.0 -väylää, kaksi UART-, GPIO-, I2C-, LPC- ja SPIliitännät. Houkuttelevia HPC- ja AI-sovellusten kannalta ovat saumaton tuki huippuluokan erillisgrafiikka-prosessoreille ja paranneltu liukulukulaskentakyky. COM Express Type 7 moduuleilleen congatec tarjoaa myös edistyneitä prosessorispesifejä jäähdytysratkaisuja, jotka mahdol-

listavat jäähdytyksen ilman tuuletinta jopa yli 65 watin lämpöteho-budjeteissa ja jotka voidaan sovittaa asiakkaan kotelointeihin tarvittaessa. Tuettuja käyttöjärjestelmiä ovat Linux, Yocto, Windows 10 ja Windows Server.

Page 19


Kuva 4: COM Express Type 7 kantakortin laajennusliitimen avulla congatec pienentää kustomointivaatimukset minimiin niin, että laitevalmistajan tarvitsee tehdä vain vähän kokoonpanoa tai ostaa lisäkortti lisätäkseen puuttuvat toiminnot kuten teollisen reaaliaika-Ethernet-protokollaan tai kenttäväylät tai sarjaliitännät tuotteeseensa.

TIETOTURVAA MODUULILLA Edge-sovellukset hyötyvät myös AMD:n prosessorille integroiduista tietoturva-toiminnoista, kuten turvakäynnistysjärjestelmästä (Secure Boot System), turvatusta muistin salauksesta (Secure Memory Encryption) ja turvastusta salatusta virtualisoinnista (SEV, Secure Encrypted Virtualization), sekä turvatusta siirtymäkanavasta kahden SEV-alustan välillä. Prosessori tukee myös IPsecturvaa integroidulla salauskiihdytyksellä. Näiden ansiosta edes palvelimen ylläpitäjällä ei ole pääsyä salattuun virtuaalikoneeseen. Tämä on erityisen tärkeää monissa korkean tietoturva edge-palvelinpalveluissa, jotka mahdollistavat valmistajasta riippumattomien Teollisuus 4.0-automaatioratkaisujen käytön ja jotka samanaikaisesti täytyy suojata hakkerien sabotointiyrityksiä vastaan. KAKSI VALMISTA VIRTUALISOINTIOPTIOTA AMD Embedded EPYC 3000 palvelinprosessorin tuomien virtualisointivaihtoehtojen lisäksi laitevalmistaja voi käyttää sovellusvalmiita virtuaalisia reaaliaikakoneita, jotka perustuvat RTS-hypervisoriin. Tämän ohjelmistopohjaisen

Page 20

reaaliaikaisen hypervisorteknologian käyttö tuo tarjolle siirtymämahdollisuudet eri mikroarkkitehtuurien välillä, mikä pidentää ratkaisun käytettävyyttä. RTS-hypervisor eli virtuaalikonemonitori vakuuttaa siksi erityisesti takaamalla optimaalisen reaaliaikasuorituskyvyn sekä yksinkertaisen asennuksen ja partitioinnin mille tahansa x86moniydinalustalle. Se tukee kaikki yleisiä reaaliaika- ja yleiskäyttöisiä käyttöjärjestelmiä, joten työkuormaa voidaan jakaa eri ratkaisuille toteutettaviksi näillä palvelimilla. 16 ja 32 ytimen AMD EPYC 3000 Embedded prosessoreilla virtuaalikoneet voivat teoreettisesti operoida rinnan lukuisia eri sovelluksia. Käytännössä yleisempiä ovat virtuaalikonejärjestelyt, jotka käyttävät useampaa ydintä esimerkiksi ohjaamaan neljää robottia neljällä ytimellä kutakin yhdessä järjestelmässä. KOVA REAALIAIKAISUUS TAATTU 100-W-ekosysteemin huomattaviin ohjelmiston ominaisuuksiin kuuluu myös tuki reaaliaikaiselle konfiguroinnille, jolla vältetään latenssi prosessoripuolen lämpötehon hallinnassa. Tätä varten congatec tarjoaa yhdessä AMD:n kanssa samanlaiset AMD EPYC Embedded 3000 -

prosessorisuunnittelut, koska prosessorin lämpötehon hallinta – joka varmistaa maksimisuorituskyvyn – on suunnattu piillä toteutetun logiikan fundamentaalisille rajoille. Nykyaikaisten tehonhallintajärjestelmien pitäisi nimittäin taata, ettei näitä rajoja ylitetä ja että taataan alle olevan piin korkea luotettavuus ja toiminnallisuus kaikissa toimintaolosuhteissa. Nämä voiva kuitenkin vaikuttaa reaaliaikaiseen suorituskykyyn. Siksi on välttämätöntä käyttää järjestelmään sovitettuja konfiguraatioita, jotka congatec tarjoaa automaattisesti RTShypervisor -toteutuksen mukana. Näin congatecin sulautettujen edge- ja mikropalvelimien 100-Wekosysteemi yksinkertaistaa monimutkaisen palvelinteknologian suunnittelua. Ja kuten voidaan BMC-ohjaimesta nähdä, tämä vaikuttaa kasvavassa määrin myös kantakorttien suunnitteluun. Tämänhetkistä 100-W-ekosysteemiä voidaan luonnollisesti käyttää myös COM Express Type 6 -moduulien kanssa ja se muodostaa arvokkaan perustan tuleville COM-HPC-standardiin perustuvien moduulien suorituskykyisille toteutuksille niin, että tähän standardiin perustuvien congatecin moduulien nopean kehityksen pitäisi myös olla mahdollista.

ETNdigi - 2/2019


COM EXPRESS TYPE 7 COM EXPRESS TYPE 7 THE SERVER-ON-MODULE THE SERVER-ON-MODULE conga-B7E3 conga-B7E3 - AMD EPYC Embedded 3000 Series ™

- Up to 16 Cores, 32 MB Cache ™ --AMD 3000 Series 4x 10EPYC GigabitEmbedded Ethernet KR Interface --Up 32 MBGen. Cache Up to to 16 32 Cores, PCI Express 3 Lanes --4x 10 Gigabit Ethernet KR Interface Industrial Grade Versions --Up to 32 PCI Express Gen. Lanes Onboard NVMe SSD up to 31TB - Industrial Grade Versions - Onboard NVMe SSD up to 1TB

www.congatec.com www.congatec.com 216x303 ETN Digi.indd 1

ETNdigi - 2/2019

08.10.2019 12:28:55

Page 21


MISTÄ riittävästi LASKENTATEHOA

IoT-LAITTEELLE? Maailmasta on tulossa yhä älykkäämpi. Yhä useampi esine ympärillämme sisältää prosessorin. Niiden suorituskyvyn ansiosta elämästämme tulee helpompaa. Mutta kuinka näille eri prosessoreille syötetään virtaa parhaalla ja energiatehokkaimmalla tavalla?

ROHM Semiconductor toimitus@etn.fi

Page 22

Esineiden internet, älykoti, älykaupunki… Pitkän aikaa tällaisia termejä pidettiin tyhjinä iskusanoina. On kuitenkin yhä ilmeisempää, että termien takana on todellisia, konkreettisia sovelluksia, jotka tunkeutuvat jokapäiväisiin rutiineihimme tai ovat jo tiukasti integroituneet osaksi elämäämme.

Merkittävä osa esineiden internetiä ja vastaavia tekniikoita on liitettävyys. Kodin termostaatista autoon kaikki laitteet on liitetty verkkoon ja ne kommunikoivat toistensa kanssa tai pilvessä. Kasvavat datamäärät ja -nopeudet tarkoittavat, että tarvitaan uusia teknologioita kuten 5G. Ei kuitenkaan pidä unohtaa toista

ETNdigi - 2/2019


näkökulmaa: ilman riittävää laskentatehoa ei voida toteuttaa niin laitteiden toimintoja kuin niiden liitettävyyttäkään. OIKEA PROSESSORI Mikään laite ei tänä päivänä voi toimia ilman sovellusprosessoria. Pilveen tai muihin laitteisiin liittyminen on yksi niiden tehtävistä, mutta erityisesti kommunikointi käyttäjän kanssa vaatii paljon laskentatehoa. Laadukkaat videot, 2D- ja 3D-grafiikka ja ääniohjaus vaativat uusimpia ja edistyneimpiä prosessoreja. Yksi esimerkki tällaisesta on NXP:n i.MX 8M Mini -perhe. Optimoidakseen yhtä wattia kohti suoritettujen käskyjen määrän NXP i. MX 8M Minille on integroitu jopa neljä Arm Cortex-A53 ydintä, jotka operoivat jopa 1,8 gigahertsin kellotaajuudella yhdessä Arm Cortex-M4 -

prosessorin kanssa, jopa operoi jopa 400 megahertsin kellotaajuudella. i.MX 8M Mini -piiriperhe tukee 1080p-videon prosessointia, 2D/3D-grafiikkaa, edistyneitä audiotoimintoja ja valikoimaa nopeita liitäntöjä. Tämä tekee siitä ihanteellisen laajaan valikoimaan kuluttaja- ja teollisuussovelluksia. TEHOLÄHDE Pelkkä oikean prosessorin valinta ei riitä. Sille täytyy myös varmistaa vaadittava virransyöttö. Teholähteen suunnittelu on usein haastava tehtävä: prosessori vaatii valikoiman erilaisia, erittäin tarkkoja syöttöjännitteitä, jotka kaikki täytyy jaksottaa täsmällisesti prosessorin käynnistämiseksi tai sammuttamiseksi. Lisäksi muisti ja muut oheislaitteet vaativat myös virran-

syötön. Tietenkin voisi työskennellä useiden yksijännitteisten regulaattorien kanssa, mutta käytössä oleva piirikorttiala on rajoitettu ja jännitteen jaksotuksen vaatimukset voivat olla hyvin monimutkaisia. Ilmeinen ratkaisu tähän ongelmaan on käyttää PMICtehonhallintapiiriä (Power Management IC). Juuri oikea tehonhallintapiiri yhdistää kaikki teholähteet hyvin pieneen tilaan, vähentää vaadittavien ulkoisten komponenttien määrää, kasvattaa aputoimintojen määrää sovelluksissa ja integroi mukaan tehonjaksotuksen. PMIC-piiri on paljon tehokkaampi ratkaisu kuin yksittäisten jänniteregulaattorien ja ohjauslogiikan käyttäminen. Jotta teholähdepiiristä saisi täyden hyödyn irti, se täytyy räätälöidy kullekin prosessorille. Esimerkiksi ROHM:n uusi

BD71847AMWV-piirille on integroitu kaikki järjestelmän vaatimat teholähteet yhdelle sirulle.

ETNdigi - 2/2019

Page 23


BD71847AMWV-piiri on optimoitu NXP Semiconductorsin i.MX 8M mini -sovellusprosesso-rille. ROHM:N RATKAISU PMIC-piirille on integroitu kaikki i.MX 8M mini -sovellusprosessorin vaatimat teholähteet sekä sovellusprosessorille että DDRmuistille ja järjestelmän yhteiselle I/O:lle: kuusi DC/DC-muunninta, kuusi LDO-regulaattoria ja 1,8/3,3 voltin tehokytkin SDXC-korteille. Lisäksi PMIC-piirillä on ohjelmoitava tehonohjauksen jaksotin (sequencer), joka voi tukea eri sovelluksia. Monia toimintaparametreja kuten lähtöjännitteet, jännitteen muutosnopeudet, tehotilasiirtymät, reset-toiminta, jne. voidaan konfiguroida OTP:n kautta ja/tai ohjelmoida ohjelmistolla. Kattava monitorointi ja suojauspiirit täydentävät PMIC-piirin mahdollisuudet. Kaikki nämä toiminnot on integroitu kompaktiin 7 x 7 milliseen QFN-koteloon, jossa on 56 nastaa. Nastoitus on suunniteltu mahdollistamaan helppo liitäntä NXP:n i.MX 8M mini prosessoriin ja DDR-muistiin. Integroimalla kaikki välttämättömät komponentit samalle sirulla tarvitaan noin 47 prosenttia vähemmän komponenttia

erillisratkaisuun verrattuna, ja piirikorttiala pienenee 42 prosenttia (3-tyypin yksipuolinen PCB). Kaksipuolisella kortilla voidaan saavuttaa alle 300 neliömillin korttiala. PMIC-piirin laaja 2,7-5,5 voltin syöttöjännitealue tukee useita syöttöjännitteitä yksikennoisista litiumioniparistoista USB-syöttöön ja teholähteisiin. BD71847AMWV-piirillä voidaan syöttää virtaa koko järjestelmään ja sen kuudesta täysin integroidusta buck-tyyppisestä DC-DCmuuntimesta saadaan 16,5 ampeerin virta ja kuudesta LDOregulaattorista yli 1,1 ampeeria. Hyvä tehomuunnoksen hyötysuhde saavutetaan laajalla lähtöjännite- ja kuorma-alueella valitsemalla automaattisesti pulssin leveys ja pulssin taajuusmodulointi. Kaikki buck-tyyppiset regulaattorit käyttävät integroituja tehokytkimiä 2/1,5 megahertsin taajuudella, minkä ansiosta voidaan käyttää matalan profiilin induktoreja. Lähtöjännite on ohjelmoitavissa laajalla alueella ja kaksi buckregulaattoria toimii DVStekniikalla (dynaaminen jännitteen skaalaaminen), mikä modernit järjestelmäpiirit vaativat. Näin saavutetaan prosessorien

ihanteellinen energiankulutus tehtävää kohti. Kaikissa LDOregulaattoreissa on ohjelmoitava lähtöjännite ja lähtövirtaa voidaan tuottaa jopa 300 milliampeeria. BD71847AMWV-piirille on integroitu konfiguroitava tehojaksotin, jonka ansiosta voidaan ohjelmoida kaikkien 12 kytkin- ja lineaariregulaattorin käynnistysjakso sekä sen lähtöjännitteet SoC-piirin vaatimusten mukaan. Prosessorien tehotilasiirtymät käynnistetään I/O-liitännän kättelyllä ja ohjelmoitavalla virtanäppäimellä. Virtanapin toiminta voidaan ohjelmoida laajalla alueella I2Cliitännän kautta. Tätä liitäntää voidaan myös käyttää modifioimaan sähköistä toimintaa, kuten lähtöjännitettä, dynaamisen jännitteensäädön aloittamista (mikäli DVS on käytettävissä), toimintatiloja, jne. PMIC-piirillä on 32,768 kilohertsin kideoskillaattoriohjain ja ajastinvauhtikoira järjestelmän turvallisuutta varten. Kehitysympäristön avulla käyttäjät voivat helposti evaluoida BD71847AMWV-piiriä. Tehonhallintapiiri sisältyy NXP:n i.MX 8M mini -evaluointipakettiin ja sen ajuri on integroitu evaluointipaketin BSPkorttiohjelmistoon.

OMINAISUUDET Tehonhallintapiiri BD71847AMWV ● Syöttöjännitealue: 2,7V – 5,5V ● 6 ohjelmoitavaa nopeakytkentäistä DC/DC-muunninta ● 6 yleiskäyttöistä LDO-regulaattoria ● OTP-konfiguroitava ja ohjelmallisesti ohjelmoitava tehonohjauksen jaksoitin (sequencer) ● i.MX 8M Minin kanssa yhteensopiva sivukaistasignaloinnin tehonohjauspiiristö ● 1,8V / 3,3V multiplekseri nopeille SDXC-korteille ● Virtanappitoiminnallisuus ● 32,768 kHz kideoskillaattorin ajuri ● Laajat suojaustoiminnot (pehmeäkäynnistys, teholinjan virheentunnistus, ylijännite, ylivirta, jne.) ● I2C I/F (maksimi 1 MHz)

Page 24

ROHM:n uusi tehonhallintapiiri on paras mahdollinen teholähde NXP:n i.MX 8M -miniprosessoreille.

ETNdigi - 2/2019


SMALLER STRONGER FASTER

SiC: FROM NICHE TO MASS MARKET As technology driver ROHM has pioneered in SiC development. Meanwhile, SiC power semiconductors have a high acceptance in the mass market. We produce SiC components in-house in a vertically integrated manufacturing system and thus guarantee the highest quality and constant supply of the market. Together with our customers in the automotive and industrial sector, we are shaping the power solutions of the future. SMALLER inverter designs reducing volume and weight

AUTOMOTIVE

ETNdigi - 2/2019

INDUSTRIAL

STRONGER performance by higher power densities

FASTER charging and efficient power conversion

www.rohm.com

Page 25


8-BITTINEN

MENESTYY EDELLEEN 8-bittisten mikro-ohjaimien voittokulku jatkuu. Niitä käytetään yhä useammin myös monimutkaisissa järjestelmissä hyödyntämällä esimerkiksi ytimestä riippumattomia CIP-oheislohkoja.

Lucio di Jasio Microchip Technology

Ensimmäinen 8-bittinen mikroohjain ilmestyi markkinoille yli 40 vuotta sitten. Suunnittelijat oivalsivat nopeasti sen tarjoamat edut. Yksittäinen piiri, joka sisälsi täydellisen mikroprosessorin, muistin, ajastimen ja I/O-portit, alensi merkittävästi elektronisten laitteiden materiaalikuluja (BoM) ja yksinkertaisti niiden suunnittelua. Mikro-ohjain löysi nopeasti tiensä tietokoneiden näppäimistöihin ja sen johdannaiset levisivät seuraavien vuosikymmenten aikana lukuisiin sulautettuihin järjestelmiin. Vaikka mikro-ohjainten valmistajat ovat sittemmin ottaneet käyttöön piirirakenteita, jotka perustuvat 16-, 32- ja jopa 64bittisiin arkkitehtuureihin, 8bittisellä arkkitehtuurilla on edelleen vahva rooli sulautetuissa

Page 26

järjestelmissä. Nykyään 8-bittisiä mikro-ohjaimia käytetään monenlaisiin sovelluksiin. Monissa tapauksissa 8-bittinen mikro-ohjain on järjestelmän ainoa ohjelmoitu ja ohjelmallisesti toimiva piiri.

tuhlata useita kellosyklejä syöttörivien skannaukseen ja poistamiseen. Tämä on samalla hyvä esimerkki usean komponentin yhteistoiminnasta, jolla voidaan parantaa järjestelmän yleistä suorituskykyä.

Savuhälyttimet ja teollisuuden anturimoduulit ovat tyypillisiä esimerkkejä keskeisistä sovelluskohteista. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää yhtä tai useampaa 8-bittistä mikroohjainta muiden prosessorien rinnalla, jotka perustuvat 16-, 32tai 64-bittiseen arkkitehtuuriin.

Kun edessä on uusi tuotekonsepti, joka vaatii sulautettua prosessoripohjaista ohjausta, suunnittelijan on mietittävä, kuinka työtaakka voidaan parhaiten jakaa resursseille. Kyseessä voi olla suhteellisen monimutkainen järjestelmä, joka hyödyntää erilaisten suorittimien yhdistelmää. Sellainen on esimerkiksi älykäs kaiutin.

Näppäimistönohjain on kuvaava esimerkki edellä mainituista älykkäistä oheislaitteista, jotka helpottavat tietokoneen isäntäprosessorin työtä. Sen ansiosta pääsuorittimen ei enää tarvitse

Vaihtoehtoisesti järjestelmä voi olla paljon yksinkertaisempi kuten kotikäyttöön tarkoitettu savuhälytin, joka voi toimia kokonaan

ETNdigi - 2/2019


8-bittiseen mikro-ohjaimeen tallennetun ohjelmiston ohjaamana. Kummassakin tapauksessa kustannustehokkuus ja energiatehokkuus ovat tärkeitä näkökohtia. Ne ohjaavat suunnittelijaa kohti arkkitehtuuria, joka ei hyödynnä pelkästään yhtä ohjelmallisesti ohjattua prosessoria. Laitteiston näkökulmasta yksinkertaisin lähestymistapa voi tuntua olevan käyttöjärjestelmän hyödyntäminen useiden erilaisten tehtävien hoitamiseksi samanaikaisesti yhdessä huipputehokkaassa suorittimessa. Mutta lähes poikkeuksetta tämä ei ole energiatehokas lähestymistapa, koska järjestelmän sekä sen tulojen ja lähtöjen välinen tiedonsiirto tapahtuu usein paljon hitaammin kuin datankulku huipputehokkaan prosessorin liukuhihnalla nopeimmillaan. Kun I/O-tapahtumia suoritetaan, 1 gigahertsin tai jopa suuremmalla taajuudella toimivan 32- tai 64-bittisen suorittimen on odotettava useiden kellojaksojen ajan kunkin uuden tavun tai sanan ilmaantumista. Yksi tapa jatkuvien datakyselyjen välttämiseksi on käyttää keskeytyksiä. Niiden avulla prosessori voi jatkaa

ydintoimintaansa jokaisen I/Osiirron tapahtuessa lennossa. Mutta tarve siirtää ja poistaa lukemia järjestelmäpinoon tai pinosta jokaisessa kontekstivaiheessa vaatii useita ylimääräisiä kellojaksoja jokaisen keskeytyksen jälkeen. Ulkoisten tapahtumien aiheuttamat keskeytykset ohjaavat monia sulautettuja järjestelmiä. Järjestelmä odottaa tiettyä signaalia ulkopuolisesta toiminnasta ennen kuin siirtyy tulosignaalien intensiiviseen käsittelyyn. Tämän vuoksi sen on toimittava mahdollisimman energiatehokkaasti odotusjaksojen aikana. Tämä oli yhtä totta jo 1970-luvun näppäimistönohjainten kohdalla kuin nykyäänkin. Tulolinjojen jatkuvien datakyselyjen sijaan voidaan odottaa sähköisen kontaktin syntymistä. Keskeytysohjain tunnistaa siitä syntyvän pulssin ja ilmoittaa suorittimen laiteohjelmalle, että sen täytyy skannata näppäimistölinjat havaitakseen, mitä näppäintä on painettu, sekä lähettää viesti isäntäkoneelle, mitä merkkiä kyseinen näppäin edustaa. Suurimman osan toiminta-

ajastaan tyypillinen IoTjärjestelmä tekee hyvin vähän tietojenkäsittelyä. Valtaosaa toiminnoista tarvitaan vain hyvin lyhytkestoisten toimintajaksojen aikana. Esimerkiksi älykkään kaiuttimen ei tarvitse kuin aloittaa ihmisen puheen tunnistaminen, kun riittävän voimakas audiosignaali oikealla taajuusalueella tulee jo poimituksi mikrofonin avulla. Samoin esimerkiksi savuhälyttimen ei tarvitse suorittaa mittauksia kammioonsa tulevalle ilmalle mikrosekunnin välein. Ympäristö ei muutu niin nopeasti, että tuollaista toimintanopeutta vaadittaisiin. Hälytin voi ottaa näytteitä vaikkapa sekunnin välein tai jopa harvemmin määrittääkseen, onko ilmanlaatu sellaisella tasolla, että tuloksia on analysoitava tarkemmin. Tähän tarvittavat laskutoimitukset kestävät yleensä vain sekunnin murto-osia jopa niillä suoritinytimillä, jotka toimivat alhaisilla kellotaajuuksilla. Kummassakin esimerkkitapauksessa suoritinytimen pitäminen käynnissä mittausten välisenä joutoaikana kuluttaa energiaa. Ratkaisuna on siirtää ydin niukkatehoiseen lepotilaan siinä vaiheessa, kun se saapuu toiminnassa tyhjäkäyntisilmukkaan, ja herättää se jälleen, kun järjestelmäkellosta tai laskurista tulee keskeytys, tai tapahtumaohjattu oheislaite havaitsee jonkin ulkoisen toiminnan. Korkean suorituskyvyn ylläpitämiseksi huipputehokkaat prosessorit käyttävät paikallisia SRAMpohjaisia välimuisteja usein käytettyjen komentojen ja tietojen tallentamiseen. Ellei välimuistia käytetä, koodi on kopioitava suhteellisen hitaasta flashmuistista ensin SRAM- tai DRAM-muistiin, jotta voitaisiin säilyttää käskyjen läpimeno yhtä nopeana kuin välimuistia käytettäessä. Lepotilassa nämä muistit

Suoritinytimestä riippumattomat CIPoheislohkot.

ETNdigi - 2/2019

Page 27


oheislaitteita, jotka toteuttavat kombinaatiologiikkaa sekä tila- ja kellotustoimintoja, jotka voidaan yhdistää hoitamaan moottorinvalvontaa, tehonsekvensointia, datan modulointia ja ehdollista signalointia suoritinytimen puuttumatta lainkaan suoraan tapahtumiin. Microchipin valmistaman ATmega4809-mikro-ohjaimen kaltaiset piirit sisältävät CCLohjauslohkoja (Confugurable Custom Logic) ja niiden ADmuuntimet voidaan varustaa ohjelmoitavilla liipaisupiireillä sekä muilla tilaohjatuilla toiminnoilla, jotka keventävät itse suoritinytimen tehtäväkuormaa. PIC16F18446:n lohkokaavio.

kuitenkin menettävät sisältönsä tehonsäästöntoiminnan vuoksi ja vaativat uudelleenvirkistyksen herätyssignaalin jälkeen ennen kuin prosessori voi aloittaa toimintaansa. Tämä taas haaskaa energiaa ja lisää järjestelmän viiveitä. Useimmat 8-bittiset prosessorit mukautuvat paremmin haihtumattoman muistin suorituskykyyn ja ominaisuuksiin lataamalla komennot suoraan flashmuistista. Niihin on yleensä integroitu haihtumatonta datamuistia pysyvien tietojen tallentamiseksi herätyssyklien välillä, joten niiden täytyy vain harvoin ladata lisää dataa SRAMpohjaisesta SPM-muistista (Scratchpad memory). Tuloksena on suoritinydin, joka reagoi nopeammin ulkoisiin tapahtumiin hitaammasta laskutoimitusten huippunopeudesta huolimatta. Tämän vuoksi monimutkaisten järjestelmien suunnittelijat suosivat usein 8-bittisten mikroohjainten käyttämistä 16-, 32- tai 64-bittisten prosessorien rinnalla tapahtumienkäsittelyn loogisten operaatioiden suorittamiseksi nopeammin ja energiatehokkaammin. Esimerkiksi älykkäässä kaiuttimessa 8-bittistä mikroohjainta voidaan käyttää audiotulojen signaalinkäsittelyyn silloin, kun ei ole tarvetta varsinaisen puheen prosessointiin. Ohjain voi käyttää yksinkertaisia algoritmeja

Page 28

selvittääkseen ensin, onko saapuva ääni taustatason yläpuolella ja arvioida sen jälkeen, vaikuttaako se meluääneltä vai onko sillä ihmisen puheen kaltaisia ominaisuuksia. Jos signaali vaikuttaa olevan riittävän tärkeä, se voi herättää pääprosessorin tekemään tarkempia jatkoanalyysejä. Yhteistoimintana tapahtuvan prosessoinnin arkkitehtuuri ei rajoitu vain suoritinytimeen. Usein syntyy tilanteita, joissa ohjelmiston suoritukselta ei vaadita joustavuutta käsittelemään suurta osaa järjestelmän havaitsemasta ulkoisesta tapahtumasta. Esimerkiksi älykkään kaiuttimen tapauksessa prosessorin ei tarvitse määrittää, onko tulevalla äänellä puheen kaltaisia ominaisuuksia, jos mikrofoni poimii vain vaimeata taustamelua. Itsenäiset CIP-oheislohkot (Core Independent Peripheral) voivat suoritinytimestä riippumatta suorittaa erilaisia toimintoja kuten analogisten tulojen vertailua referenssitasoihin. Esimerkiksi jos mikrofonin vastaanottaman signaalin amplitudi ylittää komparaattorin määrittämän kynnystason, se voi herättää prosessorin toimimaan. Mikro-ohjainpiirin tyypistä riippuen CIP-oheislohkot tarjoavat laajan valikoiman älykkäitä konfiguroitavia

Microchipin useiden 8-bittisten mikro-ohjainten sisältämän ADC2-lohkon (esimerkiksi PIC16F18446) avulla voidaan digitalisoiduille signaaleille suorittaa käsittelytoimintoja kuten keskiarvoistusta ja alipäästösuodatusta. Tämä estää järjestelmää reagoimasta lyhytkestoiseen kohinaan ja audiopiikkeihin sekä tarjoaa hyödyllisen esikäsittelyn silloin, kun ADC-lohkon vastaanottama signaali on arvioitava puhesisällön osalta. ADC2-lohkoon on sisällytetty myös kaikki piiritason ominaisuudet helpottamaan kosketuspaneelien kapasitiivista tunnistusta. Se on toinen esimerkki sovelluksesta, jossa aiemmin on vaadittu korkean tason ohjelmallista prosessointia. Sirutason ohjelmoitavien oheislohkojen kokonaisvaikutus ei rajoitu vain energiatehokkuuteen, kun suoritinydin saadaan pysymään pitempään lepotilassa. Lisäetuna oheislohkot auttavat leikkaamaan itsenäisesti toimivien sovellusten materiaalikuluja (BoM) niiden toiminnallisuudesta tinkimättä. Tällaisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi erilaiset hälyttimet. ADC2oheislohkon sisältävien piirien tapauksessa tuki piiritason suodatukselle antaa mahdollisuuden käyttää 8-bittistä mikro-ohjainta sellaisissa kohteissa, joissa perinteisesti 16bittinen ohjainpiiri on alun perin tuntunut sopivimmalta valinnalta.

ETNdigi - 2/2019


World-Class Analog from a Microcontroller Leader? If You Only Know Microchip as an MCU Supplier, We’re About to Blow Your Mind Microchip’s success story wouldn’t be complete without including our analog solutions. Our history as a leading solution supplier providing comprehensive design support and a broad product portfolio doesn’t only include our microcontroller products.

performance requirements.

Start your own success story at www.microchip.com/Real-Analog

The Microchip name and logo and the Microchip logo are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries. All other trademarks are the property of their registered owners. © 2019 Microchip Technology Inc. All rights reserved. DS20006063A. MEC2243A-ENG-08-19

ETNdigi - 2/2019

Page 29


Teollisuussovellusten ja audiosignaalien näytteistyksen tyypillisesti vaatimalla resoluutiolla 16-bittinen arkkitehtuuri ei vaadi näytedatan jakamista ohjelmalliseen käsittelyyn samaan tapaan kuin 8-bittinen liukuhihna vaatisi. Suodatuksen kaltaisten toimintojen piiritason toteuttaminen vähentää kuitenkin suoritinytimen kuormitusta merkittävästi keventämällä signaalinkäsittelyyn tarvittavaa työtä. Näin ydin voi keskittyä järjestelmätason hallintaan ja ohjaamiseen. Prosessoinnin suorituskyvyn parantuminen antaa siten mahdollisuuden käyttää hinnaltaan edullisia 8bittisiä ohjainpiirejä yksinkertaisemman pään laitteistoissa. 8-bittiseen arkkitehtuuriin perustuvat mikro-ohjaimet soveltuvat I/O-keskeisiin tapahtumaohjattuihin sovelluksiin paremmin muilla tavoin. Monet digitaaliset I/O-tehtävät toimivat bittitasolla ja alle yhden tavun leveyksillä. Suuremmilla sananleveyksillä toimivat suorittimet ovat yleensä vähemmän tehokkaita käsittelemään näitä datatyyppejä, sillä ne vaativat kokonaisten datasanojen siirtämistä rekistereihin ja niistä pois, sekä monimutkaisten bittimaskien käyttämistä oikean sisällön käsittelemiseksi. 8-bittiset mikro-ohjaimet, jotka on suunniteltu painikkeiden tunnista-

misen ja PWM-signaalien tuottamisen kaltaisiin tehtäviin moottorinohjauksissa, valaistusratkaisuissa ja teholähteissä, tarjoavat sopivantasoista toiminnallisuutta sovelluksiin, joissa ei tarvita suurta määrää laskutoimituksia eri toimintavaiheiden välillä. I/O-keskeisissä tehtävissä 8bittiset mikro-ohjaimet ovat yleensä tehokkaampia sekä ohjelman että datamuistin käytössä ja vaativat siten vähemmän verrattuna piireihin, jotka käyttävät muihin arkkitehtuureihin perustuvia suorittimia. Monimutkaisemmissa sovelluksissa saatetaan tarvita laajempaa muistia, ja tämä voi kannustaa siirtämään ohjelmakoodin 16- tai 32-bittiseen piiriin, joka yleensä valmistetaan korkeatasoisemmin skaalatussa tuotantoprosessissa laajemman muistimakron tukemiseksi. 8-bittinen arkkitehtuuri taas antaa piirinvalmistajille mahdollisuuden tuottaa sirut prosessissa, joka tukee myös vankkoja analogisia ja I/O-lohkoja sekä tarjoaa näin parempaa tehonhallintaa, suorituskykyä ja joustavuutta sekä laadukkaampia signaaleja verrattuna piireihin, jotka vaativat korkeatasoisemmin skaalattuja piiprosesseja. Monissa tapauksissa voi olla järkevää ottaa huomioon kaikki piirien yhteistoiminnan ja valmistusprosessivalintojen tarjoamat edut

sekä jakaa järjestelmän tehtäväkuorma sovelluskeskeisen 8bittisen ohjainpiirin ja yleiskäyttöisen 16- tai 32-bittisen suorittimen kesken. Yhteistoiminnallisen datankäsittelyn hyödyntäminen saattaa lisätä suunnittelutyön monimutkaisuutta, koska kehittäjien on otettava huomioon useiden yhteistyötä tekevien suoritinytimien ja oheislohkojen välinen synkronointi. Microchipin ilmaiseksi tarjoaman MCCpaketin (MPLAB Code Configurator) kaltaiset graafiset ohjelmointiympäristöt huolehtivat kuitenkin vaadittavasta laitetason ohjelmistonhallinnasta tarjoamalla ratkaisuja, jotka palvelevat lukuisia eri sovellusalueita. Näitä ovat esimerkiksi verkkoliitännät, moottorinohjaukset ja tehonhallinta. 8-bittinen arkkitehtuuri on ollut menestyksekäs jo vuosikymmenien ajan. Kehitystä seuranneet saattavat ajatella, että suunnitelmien rakenne on kaiken aikaa pysynyt staattisena. Mutta näihin ytimiin perustuvat mikro-ohjainpiirit ovat kuitenkin sopeutuneet uusien suunnittelijasukupolvien asettamiin vaatimuksiin. Niihin on lisätty uusia ominaisuuksia kuten älykkäitä oheislohkoja ja tukea korkean tason ohjelmointikielille, joita tarvitaan suorittimien yhteistoimintaan perustuvissa nykyaikaisissa ympäristöissä.

Microchipin ilmaiseksi tarjoama graafinen ohjelmointiympäristö MPLAB Code Configurator.

Page 30

ETNdigi - 2/2019


ETN is a Finnish technology media for everyone working, studying or just interested in technology. Through website with daily news and technical articles, daily newsletters and columns ETN covers every aspect of high technololy. We cover automation, components, devices, networks, test & measurement, design & programming, embedded, power, manufacturing and distribution. All in Finnish. etn.fi/tilaa

For advertising and editorial cooperation, contact us Editor-in-chief Veijo Ojanperä vo@etn.fi +358-407072530 Sales Manager Anne-Charlotte Sparrvik ac@etn.fi +46-734171099

ETNdigi - 2/2019

Page 31


Kuinka suojata

Linux-jä

Avoimen koodin Linux on suositt ja laitteiden kehittäjien parissa. V jatkuvasti haavoittuvuuksien uhk Haavoittuvuuksien tunnistaminen vastaan on usein laitesuunnittelij

Arlen Baker Wind River

Alla on hahmoteltu toimivan neliportaisen prosessin, jolla Linuxin haavoittuvuuksia voidaan ratkoa: monitorointi, arviointi, ilmoitukset ja korjaaminen. Prosessi myös selittää kustannukset, jotka yritystä kohtaavat haavoittuvuuksien tunnistamisessa ja korjaamisessa talon sisällä, ja miksi voi olla järkevämpää solmia kumppanuus kokeneen Linux-tietoturvatiimin kanssa, jotta varmistetaan, että käyttöön otetut laitteet ja järjestelmät pysyvät turvattuina. HAAVOITTUVA MAAILMAMME Avoimen koodin Linux-ohjelmistot ovat kasvattaneet suosiotaan IoT-järjestelmäkehittäjien parissa useista syistä. Yksi tärkeimmistä on se, että Linux on tarjolla esipaketoituina binääripaketteina, joiden mukana saa sulautetun laitteiston sekä jatkuvasti laajenevan kehittäjäyhteisön Linuxille tuottamien kehysten (framework) valikoiman. Se tarjoaa myös joitakin käytännön etua IoT-sovelluksille, kuten tuen yhteentoimivuudelle mitä IoT-laitteet usein vaativat. Lisäksi pilvijärjestelmät, joissa IoTsovelluksia ajetaan, rakennetaan yhä useammin avoimen lähdekoodin Linuxpohjaisille käyttöjärjestelmillä. Tämän päivän verkottuneessa maailmassa Linux-pohjaisten järjestelmien ja laitteiden suojaamisesta on tullut yksi kehittäjien ja laitevalmistajien suurimmista haasteista. Vanhat ”asenna ja unohda” -tyyppiset ajat

Page 32

ovat kaukana takanapäin laitekehityksessä. Käytännössä jokainen tänä päivänä valmistettu laite suunnitellaan liitettäväksi johonkin, mikä tekee sen äärimmäisen alttiiksi tietoturvahaavoittuvuuksille. Liitetyt laitteet ovat kohteita ja niistä tulee koko ajan haavoittuvaisempia jokaisen raportoidun aukon myötä. IoT:n nopean kasvun myötä verkottuneet laitteet yleistyvät eksponentiaalisella nopeudella. Tämä massiivinen laitteiden, yhteyksien, datavolyymin, verkkoliikenteen ja käyttäjien määrän kasvu on tuonut vastaavan kasvun kyberuhkissa entistä laajemmalla hyökkäyspinnalla. Vastineeksi laitevalmistajat ja IoT-sovellusten kehittäjät ottavat käyttöön edistyneitä menetelmiä, joilla voidaan rakentaa tehokkaita turvatoimintoja mahdollisimman aikaisessa vaiheessa suunnittelua. Ja hyvä niin. Itse asiassa tämä on ehdottoman välttämätöntä. Tämä ei kuitenkaan riitä, sillä uhat kehittyvät jatkuvasti. IoT-järjestelmien operaattoreilla täytyy olla sekä strategia että mekanismi, joilla kestävä turva säilyy käytössä olevissa laitteissa koko niiden elinkaaren ajan. Valmistajien täytyy laajentaa turvallisuusstrategioitaan järjestelmätason vahvistamista laajemmalle niin, että uusien haavoittuvuuksien korjaukset toteutetaan ketterästi. Mikäli järjestelmiä ei jatkuvasti päivitetä, ne jäävät haavoittuviksi uusia nousevia uhkia vastaan, oli niihin

ETNdigi - 2/2019


ärjestelmä?

tu käyttöjärjestelmävalinta sulautettujen järjestelmien Verkkoon liitettyjen IoT-laitteiden määrän kasvaessa ka on levinnyt laajemmalle kuin koskaan aikaisemmin. n ja välttämättömien päivitysten tekeminen uhkia joiden ja -rakentajien kykyjen ulottumattomissa.

käyttöönoton yhteydessä integroitu sitten kuin vahva tietoturva tahansa. Ajatellaanpa esimerkiksi omaa kannettavaa tietokonetta. Entisaikaan sen suojaamiseksi riitti salasana ja suurin ulkoinen uhka oli saastunut levyke. Kun se liitettiin internetiin, siitä tuli heti hyökkääjien kohde, tyypillisesti koneelle asennettujen sovellusten kautta. Nyt saat mahdollisesti viikoittain tai kuukausittain päivityskehotuksia tai automaattisia päivityksiä sovellusten toimittajilta, joilla tietokonettasi suojataan uusimmilta ohjelmistohaavoittuvuuksilta. Jokainen Linuxilla toimiva IoT-laite tarvitsee saman tasoista jatkuvaa suojausta. Kysymys kuuluu, miten toteuttaa se systemaattisella, skaalautuvalla ja kustannustehokkaalla tavalla. MIND THE GAPS! Ennen kuin järjestelmän haavoittuvuudet voidaan korjata, täytyy tietää mitä ja missä ne ovat. Tästä on tulossa yhä haastavampaa, sillä tietoturvaa uhkaavien haavoittuvuuksien määrä kasvaa samaa tahtia IoT:n laajenemisen kanssa. Yleisten haavoittuvuuksien CVE-tietokanta (Common Vulnerabilities and Exposures) on hallituksen rahoittama, laajalti hyväksytty alan standardi, jolla julkisissa ohjelmistoissa tunnistetaan, raportoidaan

ETNdigi - 2/2019

ja korjataan haavoittuvuuksia. CVEtunnistimien avulla haavoittuvuutta koskeva informaatio voidaan yhdistää sopiviin tietoturvakorjauksiin tai suojausteknologioihin, mikä on erityisen tärkeää avoimen koodin ohjelmistomaailmassa. Haavoittuvuuksien paljastaminen voi tulla monenlaisesta lähteestä: ohjelmistoyrityksestä, tietoturvayrityksestä, itsenäisiltä tutkijoilta, yhteisöjen postituslistoilta ja valtion viranomaisilta kuten US-CERT-viranomaiselta (U.S. Computer Emergency Readiness Team). Tänään CVE-tietokantaa haastaa IoT:n tuoma haavoittuvuuksien määrän kasvu. Vuonna 2018 raportoitiin 16 555 uutta haavoittuvuutta, joiden vakavuusaste vaihteli välillä 1-10. Sen lisäksi, että CVE-raportoitujen haavoittuvuuksien määräon kasvanut radikaalisesti viime aikoina, myös niiden vakavauus on jatkuvasti pahentunut. Tämä johtuu osaltaan kyberrikollisten osaamisen parantumisesta, ja osin siitä, että verkottunut ja yhä enemmän tekoälyä hyödyntävä maailma tarjoaa enemmän väyliä hyökkäyksille. AVOIMEN LÄHDEKOODIN EDUT Avoimen koodin ohjelmistojen käyttämisestä tulee etuja tietoturvaperspektiivistä. Jatkuva uhkien yleistyminen edellyttää, että laitteiden ohjelmistoja päivitetään niin pian kuin

Page 33


haavoittuvuus on tunnistettu. Laajan avoimen koodin yhteisön ansiosta tieto haavoittuvuuksista tavoittaa nopeasti suuret joukot tutkijoita, valtion viranomaisia kuten CERT ja useita tarkoitukseen varattuja sähköpostituslistoja. Tämän seurauksena avoimeen koodiin perustuvien laitteiden käyttäjät voivat tehdä nopeita toimi, jotka alentavat mahdollisia riskejä. Tästä huolimatta yhteisö edelleen keskittyy innovoimaan uutta. Niinpä haavoittuvuus korjataan ohjelmiston uusimmassa versiossa, kun vanhat eri komponenttien – kernelin, kirjastojen, jne. – versiot pysyvät haavoittuvina. On epäkäytännöllistä ajatella, että mikään järjestelmä olisi sataprosenttisen läpäisemätön ulkopuolisia uhkia kohtaan, mikäli hyökkääjillä on riittävästi aikaa ja resursseja. Voidaan kuitenkin tehdä täsmällisiä toimia, jotka tekevät asiat erittäin vaikeiksi hakkereille ja pienentävät merkittävästi murtojen todennäköisyyttä.

Page 34

Uhkien pienentäminen käytössä olevissa järjestelmissä vaatii neliportaista lähestymistapaa: monitorointia, arviointia, uhkista raportointia ja niiden korjaamista. 1. MONITOROINTI Monitorointia voi ajatella turvallisuusstrategian ”valvontakamerana”. Jos ajatellaan kahta taloa, joissa molemmissa on vahvat lukot, niin myös valvontakameralla varustettu on paremmin varusteltu tunkeutumisia vastaan. Tässä tapauksessa kameroita käyttävät organisaatiot, jotka antavat haavoittuvuushälytyksiä ja -varoituksia, kuten US-CERT, NIST (National Institute of Standards and Technology), CVE-tietokanta, eri tietoturvayritykset, yksityiset postituslistat ja yhteisöt, jotka ovat keskittyneet Linux-haavoittuvuuksien löytämiseen. Haasteena tässä on, että kun varoituksia antavat kymmenet eri organisaatiot, syntyy väistämättä hämmennystä siitä, mitkä haavoittuvuudet vaikuttavat eri

toteutuksiin. Tämän takia on kriittisen tärkeää tietää, mihin organisaatioihin voi luottaa niin, että niiden antama informaatio on varmasti relevanttia, oikeaa ja minkä pohjalta voi luotettavasti toimia. 2. ARVIOINTI Kun varoitus tai tietoturvaraportti annetaan, järjestelmäoperaattori tai sen ohjelmistokumppanin pitää määrittää, ovatko sen laitteet haavoittuvaisia ja missä määrin. Haavoittuvuus pisteytetään CVSS-järjestelmän Common Vulnerability Scoring System) mukaisesti sen vakavuuden, hyökkäyksen vaikeuden ja välttämisen todennäköisyyden perusteella. Arvioinnissa pitää tietää eksaktisti, mitkä paketit ja mitkä versiot ovat haavoittuvaisia. Myös oman järjestelmän eksakti konfiguraatio täytyy tietää, eli ns. ohjelmiston koostumus (software bill of materials). Tämän kaiken tietäminen riippuu tietenkin siitä, miten hyvin kehitystiimi on

ETNdigi - 2/2019


dokumentoinut työnsä. Haavoittuneissa tuotteissa kello korjauksen löytymiseen käynnistyy samalla hetkellä, kun haavoittuvuus paljastetaan. 3. ILMOITUKSET Kun haavoittuvuus on arvioitu, sen uhriksi joutuneita käyttäjiä pitää informoida nopeasti sekä haavoittuvuuden suhteellisesta todennäköisyydestä käytetyn laitteen perusteella että ongelman korjaamisen toimintasuunnitelmasta. Tämä askel vaatii oikeita työkaluja ja metodologioita niin, että ilmoitukset lähetetään kaikilla asianosaisille osapuolilla nopeasti ja tehokkaasti. Nopea ilmoitus riippuu ohjelmistoyrityksen ja laitteen käyttäjän luottamukselli-sesta suhteesta ja samalla vah-vistaa sitä. 4. KORJAAMINEN Korjaaminen ajoitus ja menetelmä perustuu yleensä priorisointiin. Korkean vakavuuden haavoittuvuudet voivat vaatia välitöntä ”hot fix” -korjausta lennossa, kun alemman vakavuustason ongelmat voidaan korjata ajoitetuilla ohjelmistopäivityksillä. Haasteena on toimittaa tehokkaat korjaukset nopeasti ja jakaa ne loppukäyttä-jille suojattua kanavaa pitkin. Haavoittuvuuden vakavuus-asteesta riippumatta siihen reagoiminen nopeasti vaikuttaa todennäköisesti liiketoiminnan fokukseen.

Mitä dedikoidun yrityksen sisäisen turvallisuustiimin kokoaminen voisi maksaa? Paljastuneiden 8000-10000 CVEhaavoittuvuuden perusteella organisaatiossa pitäisi olla 4-5 erittäin osaavan suunnittelijan tiimi, jotta he voisivat tutkia ja keksittyä niistä jokaiseen. Keskimääräisellä 120 000 dollarin vuosipalkalla tämän tiimin budjetti olisi vuositasolla jopa puoli miljoonaa dollaria jo henkilöstökuluina. Useimmat laitevalmistajat ja IoTjärjestelmien operaattorit pitävät tällaista erikoisosaamista oman ydinosaamisensa ulkopuolella olevaksi ja liian kalliiksi. Paljon kustannustehokkaampi vaihtoehto on antaa tämä vastuu kokeneelle kaupalliselle Linuxyritykselle, jolla on dedikoitu turvallisuustiimi. Tämä on todistettu strategia, jolla tuotetaan suojaus tuntien kuluessa haavoittuvuuden julkaisemisesta, mikä tarkoittaa usein viikkoja tai kuukausia ennen ohjelmistopäivitystä. LÖYDÄ SOPIVA KUMPPANI Sopivalla ohjelmistokumppanilla olisi välttämättömät yhteydet Linux-yhteisöön ja moniin neuvontaorganisaatioihin, joiden avulla se voisi yhdessä oman monitorointi- ja - perusteella

pysyä ajan tasalla haavoittuvuuksien löytyessä. Ja koska tämän kumppanin pitäisi pystyä skaalaamaan turvallisuuspalvelunsa eri asiakkaille, tämän kriittisen vastuun ulkoistaminen maksaa paljon vähemmän kuin yritys hallita sitä talon sisällä. Tietoturvahaavoittuvuudet ovat tosiasia tämän päivän verkottuneessa maailmassa ja niiden määrä moninkertaistuu sulautettujen IoT-sovellusten kasvun myötä. IoT-sovellusten hallinta ja niihin liittyvien uhkien torjunta ovat keskeisiä askelia loppukäyttäjien suojaamisessa, mutta tämä edellyttää toimintaa, joka on useimpien IoT-ratkaisujen kehittäjien, laitevalmistajien ja järjestelmäoperaattorien ulottumattomissa. Onneksi avoimen koodin yhteisö löytää Linux-ohjelmistoihin vaikuttavat haavoittuvuudet hyvin valppaasti. Kun tekee työtä ohjelmistokumppanin kanssa, joka on johtava kontribuuttori avainyhteisöissä, ja jonka prosessi uhkien monitorointiin, arviointiin sekä asiakkaiden informoimiseen ja haavoittuvuuksien korjaamiseen on käytännössä todettu ja varmistettu, valmistajat ja kehittäjät voivat auttaa asiakkaitaan suojautumaan kyberuhkilta IoTjärjestelmän koko elinkaaren ajan.

SUOJAAMISEN HINTA Mikäli tämä neliportainen prosessi kuulostaa työläältä, se on sitä. Ei voi kiistää, etteikö se vaatisi merkittävää ihmisten, ajan ja työnteon sitoutumista. Mitään oikopolkuja ei ole. Vastauksen nopeus on kaiken ytimessä. Ihanteellinen ratkaisu on dedikoitu turvallisuustiimi, joka käsittelee kaikki potentiaaliset haavoittuvuudet. Mikäli yrittää tehdä kaiken itse talon sisällä, tiimin täytyy kääntää fokus kehityksestä korjaamiseen joka kerta, kun haavoittuvuus uhkaa.

ETNdigi - 2/2019

Page 35


Page 36

ETNdigi - 2/2019


TEHOA

akkujen valvontaan

Stefano Gallinaro Analog Devices

ETNdigi - 2/2019

Akun tilan hallintajärjestelmiä tarvitaan yhä useammilla sovellusalueilla sähköautoista älykkään sähköverkon uusiutuvan energian varastointijärjestelmiin. Vastaavanlainen akkuteknologia on yleistynyt yhä enemmän myös terveydenhuollon parissa, missä se on lisännyt laitteiden käyttöturvallisuutta ja mahdollistanut laitteiden vapaan liikuteltavuuden eri puolilla sairaalaa. Nämä kaikki akkutoimiset sovellukset tarvitsevat tarkkoja ja suorituskykyisiä puolijohteita akkujen valvontaa, tilan hallintaa, suojaamista ja tiedonvälitystä varten.

Page 37


Akun tilan hallintajärjestelmiä tarvitaan yhä useammilla sovellusalueilla sähköautoista älykkään sähköverkon uusiutuvan energian varastointijärjestelmiin. Vastaavanlainen akkuteknologia on yleistynyt yhä enemmän myös terveydenhuollon parissa, missä se on lisännyt laitteiden käyttöturvallisuutta ja mahdollistanut laitteiden vapaan liikuteltavuuden eri puolilla sairaalaa. Nämä kaikki akkutoimiset sovellukset tarvitsevat tarkkoja ja suorituskykyisiä puolijohteita akkujen valvontaa, tilan hallintaa, suojaamista ja tiedonvälitystä varten. Tässä artikkelissa kuvataan miten uudenlainen akun valvontajärjestelmä kennon tilan hallintoineen ja eristettyine tiedonsiirtoverkkoineen mahdollistaa kaiken hyödyn irtioton uusista litiumakuista. Uusien integroitujen piirien avulla voidaan lisätä suurten energiavarastojärjestelmien luotettavuutta ja akkujen käyttöaikaa saadaan lisättyä 30 prosentilla. Lääkintäsovelluksissa käytettävien akkujen on täytettävä tiukat kriteerit luotettavuuden, suorituskyvyn ja turvallisuuden osalta kaikissa tyypillisimmissä käyttöolosuhteissa: potilaan kannettavissa järjestelmissä kuten paineluelvytyslaitteissa, sairaalan teho-osaston laitteissa, akkukäyttöisissä sairaalavuoteissa ja kuljettimissa, kannettavissa ultraäänilaitteissa, etävalvontalaitteissa ja uutena tulokkaana energian varastointiin tarkoitetuissa ESS-järjestelmissä (Energy Storage Systems). ESS-järjestelmät eivät ole suoraan yhteydessä potilaaseen eivätkä ne ole lääkintähenkilöstön operoitavissa. ESS-järjestelmät ovat seuraava kehitysaskel UPSlaitteista eli keskeytymättömistä teholähteistä. Perinteisesti UPSlaitteita on käytetty tehonsyötön varajärjestelminä kaikkein kriittisimmissä sovelluksissa, kuten esimerkiksi teho-osastoilla ja tietoverkon infrastruktuureissa. Sairaaloiden ESS-järjestelmiä käytetään mitä moninaisimmissa

Page 38

toiminnoissa uusien litiumpohjaisten akkujen ansiosta. Niitä ollaan integroimassa osaksi sairaalan sähkösyöttöverkkoa, jolloin ne tarjoavat seuraavia etuja: ● Täydellinen tehonsyötön varajärjestelmä, joka kattaa koko

toimintatilan eikä ainoastaan kriittisintä osaa toiminnoista pienellä alueella, suojaa sähkökatkoilta ja huonolaatuiselta sähköverkon sähkönsyötöltä sekä vähentää tarvetta käyttää dieselgeneraattoreita varavoimalähteenä. Sairaalat selviävät pitkittyneistäkin sähkökatkoksista megawattituntitason ESSjärjestelmällä, joka osaltaan stabiloi sähköverkon toimintaa. ● Sähkölasku pienenee. ESSjärjestelmän avulla sairaalat voivat ohjata suoraan sähkön käyttöprofiileja ja estää tehonkulutuspiikkien muodostumista, mikä alentaa sähkönkulutuksen kustannuksia. Sairaaloiden kattotilat ovat yleensä pinta-alaltaan suuria, joten sinne voidaan helposti asentaa valosähköisiä PVjärjestelmiä (Photovoltaic) sähköntuotantoa varten. PVjärjestelmät yhdistettynä ESSjärjestelmiin tarjoavat edellytykset syntyvän sähköenergia varastointiin ja omaehtoiseen energian käyttöön samalla kun sähkölasku ja hiilijalanjälki pienenevät. Litiumpohjaiset akut yleistyvät nykyään monilla eri markkinaalueilla autoelektroniikasta teollisuuden ja terveydenhuollon sovelluksiin. Erityyppiset

litiumakut tarjoavat erilaisia etuja, joiden avulla eri sovellusten ja tuotesuunnittelujen tehovaatimukset saadaan parhaiten täytettyä. Esimerkiksi litiumkobolttioksidilla LiCoO2 on hyvin suuri spesifinen energia, mikä tekee siitä sopivan kannettaviin tuotteisiin. Litium-mangaanioksidilla LiMn2O4 on puolestaan hyvin pieni sisäresistanssi, jolloin se latautuu nopeasti suureen virta-arvoon tehden siitä hyvän valinnan huippuja tasaaviin ESSsovelluksiin. Litium-rautafosfaatti LiFePO4 on hyvin kestävä täyslataustilanteissa ja pystyy ylläpitämään suurta jännitettä pitkiäkin aikoja. Tästä syystä se on paras ehdokas suuriin ESSjärjestelmiin, joiden on pystyttävä toimimaan pitkän sähkökatkon aikana. Haittana on suurentunut itsepurkautumisnopeus, mistä ei kuitenkaan ole haittaa edellä mainituissa käyttökohteissa. Sovellusten erilaisista tarpeista johtuen tarvitaan erityyppisiä akkuja. Esimerkiksi autoelektroniikan sovelluksissa tarvitaan suurta luotettavuutta sekä hyviä latautumis- ja purkautumisnopeuksia, kun taas terveydenhuollon sovelluksissa tarvitaan suurten virtahuippujen kestävyyttä suorituskykyisen ja pitkäkestoisen toiminnan takaamiseksi. Kuitenkin yhteistä kaikille mainituille ratkaisuille on, että kaikkien litium-yhdisteiden purkaantumiskäyrä nimellisjännitealueella on erittäin litteä. Siinä missä tavallisissa akuissa jännitepudotus on luokkaa 500 millivoltista yhteen volttiin, edistyneimmissä litiumakuissa kuten litium-rautafosfaatti (LiFePO4) tai litium-kobolttioksidi (LiCoO2) akuissa purkaantumiskäyrän muoto on hyvin tasainen jännitepudotuksen ollessa luokkaa 50 millivoltista 200 millivolttiin. Jännitekäyrän litteydellä on merkittäviä etuja ketjutettujen ICpiirien tehonhallinnassa, kun ICpiirit on kytketty akkujännitekiskoon, jolloin DC/DC-muuntimet voidaan suunnitella

ETNdigi - 2/2019


toimimaan pienen tulojännitealueen suurimmalla tehoarvolla. Muuntamalla tunnettu VIN lähellä olevaksi VOUT:ksi järjestelmän tehonsyöttöketju voidaan suunnitella jännitteen alennus-nostomuuttimen ideaalille toimintajaksolle, jolloin saavutetaan yli 99 prosentin hyötysuhde kaikissa toimintaolosuhteissa. Lisäksi akkulataaja saavuttaa täydellisesti latausjännitteen ja kuormitukset voidaan suhteuttaa stabiilin toimintajännitteen mukaan, jolloin loppusovelluksen tarkkuusominaisuuksia voidaan lisätä esimerkiksi etävalvonnassa tai potilaan sisällä olevassa elektroniikassa. Jos käytetään vanhempia litium-yhdisteitä tai jyrkempiä purkautumiskäyriä, akkukäyttöisten DC/DCmuuntimien suorituskyky pienenee, jolloin tuloksena on akun käyttöiän lyheneminen 20 prosentilla tai ollessaan kannettavaan lääkintälaitteeseen yhdistettynä syntyy tarve

latauskertojen lisäämiseen ylimääräisten tehohäviöiden vuoksi. Litteästä purkautumiskäyrästä johtuen akun varaustason (SOC, State of Charge) ja toimintakunnon (SOH, State of Health) arvojen määrittäminen vaikeutuu. On tärkeää laskea SOC-lukema erittäin tarkasti, jotta pystytään varmistamaan, että akku on latautunut ja purkautunut oikealla tavalla. Ylilatautuminen aiheuttaa ongelmia turvallisuuden kannalta heikentämällä akun kemiallisia ominaisuuksia ja lisäämällä oikosulun todennäköisyyttä, jolloin saattaa syntyä tulipalon ja kaasuvuodon aiheuttamia vaaratilanteita. Ylipurkautumisella on myös taipumus heikentää akkua ja lyhentää sen käyttöikää yli puolella. SOH-lukema antaa tietoa akun tilasta ja se ilmaisee, kuinka kauan ikääntyvää akkua voidaan turvallisesti käyttää ja

milloin akku kannattaa vaihtaa uuteen. Mikro-ohjain analysoi SOC- ja SOH-dataa reaaliaikaisesti, valitsee käyttöön sopivat latausalgoritmit, antaa käyttäjälle tietoa akun potentiaalisesta kapasiteetista (esimerkiksi jos akku voi suorittaa suurivirtaisen syväpurkautumisen sähkökatkon yllättäessä) ja varmistaa, että suurissa ESSjärjestelmissä huonojen ja hyvien akkujen välinen tasapaino on optimaalinen mahdollisimman pitkän käyttöiän saavuttamiseksi. Kun otetaan esimerkiksi jyrkällä purkautumiskäyrällä varustettu hyvin vanha akku, on helppo laskea akun SOC-lukema mittaamalla lyhytaikaisen jännitepudotuksen delta, kun tiedetään akkujännitteen absoluuttinen arvo. Kun mittaus tehdään uusille litiumpohjaisille akuille, vaaditaan moninkertaista tarkkuutta, koska jännitepudotukset ovat huomattavasti

Litium-akun purkaantumisprofiili.

ETNdigi - 2/2019

Page 39


LTC6813-piirin kaavio.

pienempiä annetussa aikaikkunassa. SOH-lukemien valossa vanhat akut purkautuvat nopeammin ja ennustetummin: niiden jännitteen purkautumiskäyrä jyrkkenee entisestään eikä tavoitteena olevaa latausjännitettä enää saavuteta. Uudet litium-akut toimivat samalla hyvällä varaustasolla pidemmän aikaa, mutta lopulta taso voi laskea poikkeuksellisissa toimintaoloissa, jolloin niiden impedanssi ja purkautumiskäyrä voi muuttua nopeasti juuri kun niiden käyttöikä on lähestymässä loppuaan tai ne ovat tuhoutumassa. Erityistä huomiota on kiinnitettävä lämpötilan mittauksiin ja mieluiten vielä kunkin yksittäisen kennon lämpötilan mittauksiin, jolloin lämpötieto voidaan yhdistää SOC- ja SOHalgoritmeihin. Näin mittauksiin saadaan tarkkuutta lisää. Tarkkojen ja luotettavien SOC- ja SOH-laskelmien avulla akkujen käyttöikää saadaan pidennettyä parhaimmassa tapauksessa kymmenestä vuodesta 20 vuoteen ja keskimäärinkin

Page 40

saadaan käyttöikää pidennettyä 30 prosentilla, jolloin ESSjärjestelmän omistajan kokonaiskustannuksia ylläpitokustannukset mukaan lukien saadaan vähennettyä yli 30 prosentilla. Tämä yhdistettynä saatuun entistä tarkempaan SOC-tietoon vältytään ylilatautumis- ja ylipurkautumistilanteilta, jotka voivat nopeasti tyhjentää akun. Tällöin myös oikosulkujen, tulipalojen ja muiden riskitilanteiden vaara pienenee. Akusta saadaan hyötykäyttöön kaikki energia ja akun lataaminen voidaan suorittaa parhaalla mahdollisella tavalla. Tässä artikkelissa esiteltävä akun valvontaratkaisu LTC6813 soveltuu käytettäväksi terveydenhuollon laitteissa, kuten kannettavissa ultraäänilaitteissa, suurissa megawattituntien ESSjärjestelmissä (sairaaloissa, tehtaissa, sähköverkon stabilointijärjestelmissä, sähkökulkuneuvojen latausjärjestelmissä ja kaukokäyttöyksiköissä), teollisuusroboteissa ja kulkuneuvoissa. Analog Devicesin kannettavan teknologian avulla saadaan parannettua luotetta-

vuutta ja turvallisuutta, koska ne on suunniteltu toimimaan erilaisissa haastavissa ympäristöissä ja ne täyttävät erilaiset toiminnalliset turvallisuusstandardit autoelektroniikan ASIL-vaatimuksista teollisuuden SIL-vaatimuksiin (esimerkiksi VDE AR 2510-2/-50, IEC EN 61508 jne.) Yksi uusimmista ratkaisuista tehokkaan ja luotettavan akun valvontajärjestelmän toteuttamiseksi muodostuu 18 kennon valvonnasta ja tasapainottamisesta huolehtivasta IC-piiristä, jossa on orjaeristetyllä (slave isolated) SPI-liitännällä varustettu mikro-ohjain. Monikennoisen akuston monitorointipiiri (battery stack monitor) mittaa enimmillään 18:a sarjaan kytkettyä akkukennoa kokonaismittausvirheen jäädessä alle 2,2 millivolttiin. Kennon mittausalue 0-5 V mahdollistaa, että se soveltuu useimmille akkutyypeille. Kaikki 18 kennoa saadaan mitatuksi 290 µs:ssa ja hitaampia datankeruunopeuksia voidaan käyttää häiriöiden pienentämistä varten. Useita monitorointipiirejä voidaan kytkeä sarjaan, jolloin

ETNdigi - 2/2019


LTC6813:n eristetty liittäminen LTC6820:n kanssa.

pitkien suurjänniteakkujonojen samanaikainen kennojen tarkkailu on mahdollista. Kussakin piirissä on isoSPI-liitäntä nopeaa ja RFimmuunia pitkän matkan tiedonsiirtoa varten. Useita monitorointipiirejä ketjutetaan toisiinsa siten, että yksi isäntäprosessori on yhdistetty niihin kaikkiin. Ketju saadaan toimimaan kaksisuuntaisesti ja tiedonsiirron yhtenäisyys taataan jopa silloin kun tiedonsiirtolinjoilla on vikatilanne. IC-piirille syötetään tehoa suoraan akustosta tai eristetystä teholähteestä. ICpiirissä on jokaiselle kennolle passiivinen tasapainotus ja yksittäisen PWM-toimintajakson ohjaus. Muita toimintoja ovat kortilla oleva 5 V:n regulaattori, yhdeksän yleiskäyttöistä I/Olinjaa ja lepotila, kun virrankulutus laskee 6 mikroampeeriin. Jotta akun valvontasovellusten lyhyen ja pitkän ajan tarkkuusvaatimukset täyttyvät, ADI:n ratkaisussa käytetään referenssinä upotetun zenerin muunnosta kielletyn energiavyön referenssin sijaan. Näin saadaan stabiili, vähäisen ryöminnän (20 ppm/ √kHr), alhaisen lämpötila-

ETNdigi - 2/2019

kertoimen (3ppm/°C) ja matalan hystereesin (20 ppm) omaava ensiöjännitereferenssi, jonka pitkäaikainen vakaus on erinomainen. Tällaista tarkkuutta ja stabiilisuutta edellytetään, koska ne muodostavat perustan kaikille peräkkäisille akkukennojen mittauksille, jolloin kumulatiivinen virhekertymä vaikuttaa niin vähän kuin mahdollista kerättävän datan luotettavuuteen, algoritmin yhdenmukaisuuteen ja järjestelmän suorituskykyyn. Vaikka erittäin tarkan referenssin tuottaminen on tärkeä ominaisuus hyvän suorituskyvyn takaamiseksi, tarvitaan muutakin. A/Dmuuntimen arkkitehtuurin on oltava vaatimusten mukainen siten, että sen toiminta on mahdollista ollessaan alttiina sähköhäiriöille, jotka aiheutuvat järjestelmän suurivirtaisen tai jännitteisen invertterin synnyttämistä pulssileveysmoduloiduista pulssipiikeistä. Varaustason tarkka arvonmääritys ja akkujen toimintakunto edellyttävät lisäksi korrelatiivista jännitteen, virran ja lämpötilan mittausta. Ennen kuin järjestelmän kohina

pääsee vaikuttamaan akun valvontajärjestelmän suorituskykyyn, sitä voidaan vähentää sigma-deltatopologiaa Σ-Δ käyttävällä monitorointipiirin muuntimella, jossa hyödynnetään kuutta käyttäjän valittavissa olevaa suodatinvaihtoehtoa ympäristöhäiriöiden suodattamiseksi. Sigma-deltan avulla vähennetään sähkömagneettisten EMI-häiriöiden ja muiden pulssipiikkien aiheuttamia häiriöitä, koska sigma-deltan lähestymistapana on suorittaa kukin muunnos useiden näytteiden avulla ja käyttämällä keskiarvoa laskevaa suodatintoimintoa. Kennon tasapainotus on tarpeen kaikissa suuria akustoja käyttävissä järjestelmissä, joissa kennot tai moduulit on järjestetty ryhmiksi, kuten sairaaloiden sähköverkon erilaisiin osiin tehoa syöttävissä suurissa ESSyksiköissä. Vaikka useimmat litiumkennot ovat täyteen ladattavissa hankintahetkellä, niiden kapasiteetti heikkenee käyttöiän lisääntyessä. Ikääntymisprosessi kohtelee eri tavoin eri kennoja monista eri syistä

Page 41


mm. lämpötilan vaihteluista johtuen. Kokonaisprosessia pahentaa kennon toimiminen SOC-lukeman asettamien rajojen ulkopuolella, jolloin se menettää toimintakuntonsa ja lisäkapasiteettinsa ennen aikojaan. Tällaiset kennojen väliset kapasiteettien eroavuudet, etenkin kun ne yhdistetään pieniin eroihin kennojen itsepurkautumis- ja latausvirroissa, voivat johtaa kennon tasapainottomuuteen. Kennon tasapainottomuutta voidaan korjata suoraan passiivisesti (käyttäjän ajastimella valittavalla) tasapainottavalla pinotarkkainpiirillä. Passiivinen tasapainotus on edullinen ja helppo tapa normalisoida kaikkien kennojen varaustaso (SOC) akun latautumisjakson aikana. Passiivisella tasapainotuksella poistetaan varausta alemman kapasiteetin omaavista kennoista eivätkä kyseiset kennot pääse ylilatautumaan. IC-piirillä voidaan myös ohjata aktiivista tasapainotusta, jossa kehitty-

neemmällä tasapainotustekniikalla siirretään varausta kennojen välillä lataus- ja purkaantumisjakson aikana. Käytettiinpä sitten lähestymistapana aktiivista tai passiivista tasapainotusta suuren mittaustarkkuuden hyödyntäminen on tärkeintä kennon luotettavan tasapainotuksen kannalta. Kun mittausvirhe suurenee, järjestelmän perustana olevan toiminnanohjauskaistaa tarvitaan enemmän, jolloin tasapainotuksen suorituskyvyn tehokkuus kärsii. Jos SOClukeman alue tällä tavoin rajoittuu, järjestelmän herkkyys mittausvirheille kasvaa. Kun kokonaismittausvirhe jää alle 1,2 millivolttiin järjestelmätason vaatimukset akun valvontajärjestelmille täyttyvät. ESS-järjestelmissä akun kennoja yhdistävä tiedonsiirtosilmukka on pakollinen. Tämä silmukka siirtää dataa järjestelmän akusta pilven energian valvonta-algoritmiin, joka seuraa lataus- ja purkaan-

tumistapahtumia määrittääkseen parhaan tavan maksimoida akun käyttö tai ylläpitää suurimman kapasiteetin akku täysin latautuneena sähkökatkon varalta. Suurimpana haasteena tasapainotus- ja tiedonsiirtotoiminnoilla varustettujen akun monitorointipiirien suunnittelussa on aikaansaada piirikortille häiriötön komponenttien sijoittelukuvio, jossa piirille tuleva signaali pidetään mahdollisimman puhtaana reitittämällä kriittisimmät johdotukset kauaksi häiriölähteistä, kuten hakkuriteholähteistä. ADI:n tarjoamien ratkaisujen pinotarkkaimen suuri tarkkuus ja virheettömyys auttavat optimoimaan jo valmiiksi hyviä suunnitteluja. Tällöin akkuja voidaan käyttää tehokkaasti ja turvallisesti ja niiden käyttöikää voidaan lisätä 30 prosentilla. Lopputuotteiden suunnitteluun ADI tarjoaa laajaa valikoimaa kehitystyökaluja evaluointijärjestelmineen ja valvontalaitteiden suunnittelualustoineen.

Älykästä ja joustavaa valvontaa ADI:n LTC681x- ja LTC680xperheen piirit edustavat uusimman teknologian mukaisia akun valvontapiirejä. LTC6813 on 18-kanavainen versio. Akun valvontapiiri on yhteydessä isäntäyksikköön, jossa oleva mikro-ohjain tai prosessori laskee SOC- ja SOH-lukemat ja reguloi latautumis- ja purkaantumisprofiilit. Erilaiset johdotuskytkennät ovat mahdollisia ja eristetty tiedonsiirtokanava on erityisesti tarkoitettu suurjännitesovelluksiin, kuten 400-1500 V:n ESSjärjestelmiin ja suuren kapasiteetin akuilla (40-200 V) varustetuille kannettaville laitteille. Kun LTC6813-piirin sisältämä

Page 42

isoSPI-ominaisuus yhdistetään LTC6820:n isoSPItiedonsiirtoliitäntään, saadaan aikaiseksi turvallinen ja kestävä tiedonsiirto suuren jännite-

kynnyksen ylitse. IsoSPI on erityisen hyödyllinen sarjaan kytketyistä kennoista satojen volttien jännitteet tuottavissa ESS-järjestelmissä, jolloin tarvitaan täydelliset eristeet

henkilöstölle aiheutuvien vaaratilanteiden estämiseksi. Kun tässä kuvattuihin ESSjärjestelmiin halutaan liittää enemmän kuin 18 kennoa, liitetään toisiinsa useampia LTC6813-piirikortteja. Tällöin useampi samanlainen, yhden LTC6813-piirin sisältävä piirikortti yhdistetään kestävästi toimimaan ketjutettuna. Mikroprosessori on sijoitettu erilliselle piirikortille. Mikroprosessorikortin ja ensimmäisen LTC6813-piirikortin välinen kaksijohtiminen eristys toteutetaan LTC6820-piirillä. Jos tarvitaan vain yksi LTC6813-1piiri, sitä voidaan käyttää itsenäisenä (ei ketjutettuna) laitteena, kun toinen isoSPIportti (Port B) on oikein esijännitetty ja päätetty.

ETNdigi - 2/2019


M AC H I N E S T H AT S E N S E T H E W O R L D A R O U N D T H E M P U T S A F E T Y F I R S T. What makes a robot a cobot is its ability to work safely alongside humans. And what gives a cobot the ability to sense, adapt and interpret its surroundings is Analog Devices. Our expertise in motion detection and machine learning is helping transform factory floors around the world. Go from invention to breakthrough application with ADI.

ANALOG.COM/BREAK THROUGH

ETNdigi - 2/2019

Page 43


Mekaniikka- ja sähkösuunnittelu

yhteen

Jayne Scheckla Siemens Digital Industries Software

Teollisuudenalasta riippumatta tämän päivän asiakkaat odottavat tuotteiltaan älykkyyttä ja käytännöllisyyttä. Halu saada uusin vimpain käyttöönsä kasvattaa elektroniikan käyttöä ennennäkemättömällä nopeudella. Kun loppua ei ole näkyvissä, innovaatio vaatii lisää elektroniikkakomponentteja tuotteisiin. Antureita lisätään käytännössä kaikkeen mahdolliseen, kun yritetään liittää laitteet verkkoon ja luoda “älykäs” maailma. Anturien signaalit välitetään kaapelein sulautettuihin ohjausyksikköihin ja kaapelit kootaan sarjoiksi. Nämä sähköiset jakelujärjestelmät muodostavat tämän päivän laitteiden hermoverkon. Tuloksena muodostuu jatkuvasti monimutkaistuvia sähkömekaanisia järjestelmiä, joissa elektroniikka ja ohjelmistot ohjaavat mekaanista suunnittelua.

Page 44

Valitettavasti monimutkaisuus tekee aiemmat parhaiden käytäntöjen prosessit tehottomiksi ja lopulta käyttökelvottomiksi, ja suunnittelijoilla on suuria vaikeuksia pysyä nopeasti muuttuvien vaatimusten vauhdissa mukana. Ajat, jolloin ”suunnittelut heitettiin seinälle” toteutusta varten ja odotettiin fyysisten prototyyppien rakentamista tuotteiden toimivuuden näkemiseksi, ovat takanapäin. Suunnittelijoita vaaditaan työskentelemään oman normaalialueensa ulkopuolella: mekaniikkasuunnittelijan täytyy

ETNdigi - 2/2019


hallita sähköisiä vaatimuksia ja päinvastoin.Sähköisten järjestelmien suunnittelu valmistuu harvoin yhdellä kertaa. Sen sijaan kyse on usein iteratiivisesta prosessista sähkö- ja mekaniikkasuunnittelijoiden välillä. Koska nämä suunnittelijat tyypillisesti työskentelevät eri ympäristöissä, voi olla vaikeaa kommunikoida jopa kaikkein perustavimmista asioista. Jopa sen tunnistaminen, mistä johtimesta puhutaan, voi aiheuttaa hämmennystä. Sähkösuunnittelija katsoo linjaa kaaviossa. Mekaniikka-suunnittelija katsoo johdinta, kaapelia tai johdinsarjan reititystä 3Dmekaniikka-kokoonpanossa. Joka kerta tällaisen iteraation aikana suunnittelijan täytyy uudelleen tulkita modifikaatioita, mikä tuo mukaan inhimillisen virheen mahdollisuuden. Väärinymmärrykset voivat aiheuttaa merkittävää haittaa, viivästymisiä ja virheitä prosessiin. Tämä puutteet muuttuvat virheiksi, jotka siirtyvät eteenpäin ja voivat muodostua ongelmiksi, jotka voivat aiheuttaa useita prototypointi- ja testauskierroksia. On helppo nähdä, että monimutkaisuuden kasvaessa aiemmat suunnitteluprosessit eivät enää toimi. Sähköjärjestelmien kehitykseen liittyy merkittävästi mekaniikkasuunnittelua. Sähköjärjestelmä on vahvasti sidoksissa fyysiseen suunnitteluun, joten muutokset siinä voivat vaatia muutoksia mekaaniseen kotelointiin. Sähköiset liitännät täytyy huolellisesti reitittää fyysisen tuotteen läpi ja sähkömagneettisia häiriöitä säteilevän elektroniikan ohi, jotta varmistetaan ettei komponenttien välillä tule törmäystä, jotta mitat ovat oikein (eli kunnioitetaan johtimien taivutusten fyysisiä vaatimuksia), jne. Tämän tuloksena sähkö- ja mekaniikkasuunnittelijoiden välillä käydään monta iteraatiota, kun hyvää sähköistä järjestelmää kehitetään. Suunnittelijoiden täytyy jakaa yksityiskohtaista suunnittelutietoa keskenään, mikä edellyttää läheistä

ETNdigi - 2/2019

kommunikointia ja yhteistyötä. Aiemmin tällainen yhteistyö on toiminut heikosti. Aiemmin sähkö- ja mekaniikkasuunnittelun työkalujen (ECAD-MCAD) yhteistoiminnan työkalut käyttivät kaikkea käsin kirjoitetuista muistilapuista ja sähköposteista Excel-taulukoihin. Tällainen lähestymistapa epäonnistui ilmeisistä syistä. Yritykset tarvitsevat nyt automatisoituja ja datavetoisia ratkaisuja, jotka mahdollistavat aidon yhteistyön. Sähköjärjestelmän laadulla voi olla valtava vaikutus tuotteen menestymiseen tai epäonnistumiseen, ja simuloinnilla ja analyysillä on avainrooli sähköjärjestelmän varhaisen vaiheen validoinnissa. Sähköjärjestelmän simulointi aikaisessa vaiheessa suunnittelua voi paljastaa ongelmia, jotka voivat vaatia koko sähköarkkitehtuurin perusteellista uudelleenajattelua. Suunnitteluohjelmisto voi tuottaa dataa suunniteltavasta laitteesta, jota voidaan käyttää simulointi- ja analyysitarkoituksiin. Nämä ovat verkotetun ja integroidun sähkömekaanisen suunnitteluvuon kulmakiviä. TYYPILLINEN ÄLYKÄS SUUNNITTELUVUO Sähkösuunnittelija julkaisee komponenttilistansa suunniteltavalle elektroniikkajärjestelmälle, joka sitten integroidaan robustiin eli kestävään 3D-suunnitteluympäristöön, kuten Siemensin Solid Edge 3D -suunnitteluohjelmistoon. Tämän integroinnin ansiosta sähköjärjestelmä voidaan suunnitella täsmällisellä tiedolla siitä, mitkä ovat mekaanisen rakenteen märät, kuumat ja muut vältettävät alueet. Integraation avulla elektroniikkasuunnittelija voi pohtia mekaniikan rajoituksia suunnitellessaan elektronista järjestelmää. Mekaniikkasuunnittelija haluaa varmistua siitä, että kaikki tarvittavat johtimet sisältävä kokonaisuus reitittyy käytössä olevan fyysisen tilan läpi.

Mekaniikkasuunnittelija ei kuitenkaan halua luoda ja hallita näitä johtimia MCAD-mallissa. Se olisi liian vaikeaa ja veisi liikaa aikaa. Sen sijaan sähköinen määrittely luodaan Solid Edge Wiring and Harness Design työkalun kaltaisessa ohjelmistossa. Suurin sallittu johdinnipun halkaisija, joka perustuu erilaisiin mekaanisiin rajoituksiin, voidaan lähettää Solid Edge 3D CAD moduuliin, joka vahvistaa, että syntesoidut tai reititetyt johtimet näissä johdinsarjoissa eivät ylitä suurinta sallittua halkaisijaa. Tämän voidaan tehdä Solid Edge Wiring and Harness Design työkalun automaattisella suunnittelusääntöjen tarkistustoiminnolla. Lisäksi klipsi-, läpivienti- ja putkiobjektien lisääminen johdinsarjan suunnitteluun vaatii alojen välistä yhteistyötä. Nämä objektit on parasta luoda 3D MCAD -ympäristössä, jonka jälkeen ne yhdistetään ECADtyökalun sähköiseen dataan. Kun tämä yhteys tehdään, täysin valmistettava johdinsarja voidaan suunnitella ja konfiguroida kokonaan automaattisesti. Kun käytössä on tämä kontekstuaalinen informaatio molemmilta alueilta, voivat elektroniikka- ja mekaniikkasuunnittelija nopeasti ratkaista suunnittelun yhteensopimattomuudet. Yhteistyöprosessin lopussa jokainen suunnittelija tietää, että heidän osansa suunnittelua toimii koko järjestelmän tasolla. ÄLYKÄS PÄÄTÖKSENTEKO SÄHKÖMEKAANISEEN SUUNNITTELUUN Sähkösuunnittelun Solid Edge ohjelmisto on suunniteltu vastaamaan erityisesti keskikokoisten asiakkaiden tarpeisiin, joissa toteutuksen helppous ja edulliset toimintakustannukset ovat tärkeimpiä tekijöitä. Tämä suunnitteluohjelmisto ylittää näiden asiakkaiden perinteisten työkalujen toiminnot tuomalla mukaan edistyneitä high end -

Page 45


toimintoja, kuten jännitteiden ja virtojen edistyneen simuloinnin, ja ongelmaalueiden kuten oikosulkujen korostaminen sekä sulakkeiden kokojen validointi. Tämän toiminnallisuuden yhdistäminen pitkälle automatisoituun johdinsarjojen suunnitteluun ja dokumentointimahdollisuuksiin antaa Solid Edge Wiring and Harness Design -työkalun käyttäjille pääsyn ominaisuuksiin, joita heillä ei ole aiemmin ollut käytössään. Näin ne voivat yltää menestykseen ja ohittaa nopeudessa suuremmat kilpai-lijansa. Käytettäessä Solid Edge 3D CAD työkalun kanssa Solid Edge Wiring and Harness Design tuo suunnitteluun mukaan ominaisuuksia, joilla on merkittäviä etuja sähkö- ja mekaniikkasuunnittelijoiden yhteistyön kannalta. • Solid Edge 3D CAD -työkaluun saadaan kattava informaatio sähköjärjestelmästä. Tämä tarkoittaa, että mekaniikkasuunnittelija saa listan sijoitettavista komponenteista ja reititettävistä sähkölinjoista. Lisäksi, koska Solid Edge tietää, mitkä komponentit liitetään ja miten, se voi automaattisesti reitittää johtimen, kaapelin ja johdinsarjan, mikä poistaa inhimillisen virheen 3Dreitityksestä. • Muutokset kommunikoidaan edes-

takaisin saumattomasti. Ristiinmittaaminen ja -visualisointi työkaluympäristöjen välillä antaa suunnittelijalle mahdollisuuden ymmärtää signaalin reititys 3D-tilassa, joten he voivat määritellä ihanteellisen reitityksen, jolla vältetään sähkömagneettiset ja radiohäiriöt. Muutokset yksinkertaisesti lähetetään toiseen ympäristöön ja ne ilmestyvät suunnitteluun. Tämä edelleen eliminoi inhimillisen virheen mahdollisuuden suunnitteluprosessissa. • Interaktiiviset korostukset. Kun sähkösuunnittelija valitsee johdon kaaviossa, vastaava johdin mekaanisessa 3D-mallissa korostuu. Tämä toimii myös toiseen suuntaan: kun johdin 3D-kokoonpanossa valitaan, se korostuu sähkökaaviossa. Tämän avulla voidaan tarkemmin keskustella ja ratkaista ongelmia molemmilla suunnittelualueilla. • Voidaan lisätä älykkäitä kaavioita, BOM-listoja tai piirroksia tietäen, että jokainen näistä kuvauksista on osa samaa komponenttia, liitintä tai johdinta. Muutos missä tahansa näistä ilmenee kaikkialla, mikä poistaa virheen mahdollisuuden, koska muutos ei päivitetty manuaalisesti. • Sähkösuunnittelija voi simuloida järjestelmiä ja ajaa analyysejä

Solid Edge Wiring and Harness Design työkalu mahdollistaa täysin toimivien ja valmistettavien sähkömekaanisten suunnittelujen luomisen saumattomassa ECAD- ja MCADympäristössä. Siemensiin nykyään kuuluvan Mentorin todennettuun teknologiaan perustuvat ohjelmistomoduulit mahdollistavat sähköjärjestelmän suunnittelun ja samanaikaisesti yhteistyön tekemisen mekaniikkasuunnittelun kanssa, millä tuotteen suunnittelu voidaan optimoida.

Page 46

ETNdigi - 2/2019


Solid Edge -ohjelmisto mahdollistaa saumattoman yhteistyön suunnittelutiimien välillä, kun ne kehittävät kokonaisia ja tarkkoja digitaalisia malleja, jotka sisältävät komponentteja sekä ECAD- että MCAD-ympäristöistä. Tämä poistaa tarpeen kehittää kalliita fyysisiä prototyyppejä.

varmentaakseen, että kaikki toimii odotetusti. He huomaavat sähköjärjestelmän tilan, joka johtaisi sulakkeen palamiseen ennen prototypointia ja testaamista. • Suunnitteluinformaatio voidaan siirtää kokonaisuutena, minkä avulla saadaan mekaniikkasuunnittelijalle tehtävälista järjestelmän reitittämiseen koko tuotteen osalta. Solid Edge Wiring and Harness Design -työkalun käyttäminen helpottaa ratkaisemaan sähkömekaanisen suunnittelun haasteita. Siemensiin nyt kuuluvan Mentor Graphicsin johtavan sähkösuunnittelun ohjelmiston tukemana tiukasti integroitu ratkaisu mahdollistaa yhteissuunnittelun eri alueiden yli. Ja koska työkalut tulevat samalta toimittajalta, päästään tiiviiseen integraatioon, joka ei ole mahdollista kolmansien osapuolten tai yksityisten lisäosien kanssa. Käytettäessä yhdessä Solid Edge 3D CAD -työkalun kanssa Solid Edge Wiring and Harness Design -työkalun ominaisuudet antavat yrityksille mahdollisuuden suunnitella ja kehittää sähkömekaanisia

ETNdigi - 2/2019

järjestelmiä nopeammin ja paljon kustannustehokkaammin. LOPUKSI Useimmissa tänään markkinoilla olevissa tuotteissa – erityisesti älykkäissä verkottuneissa tuotteissa – sähköjärjestelmät ovat kriittisiä. Ne syöttävät juuri oikeaa tehoa elektroniikkalaitteille ja mahdollistavat sen, että useat yhteen liitetyt järjestelmät voivat kommunikoida keskenään tehokkaasti ja tarkasti. Tämän päivän tuotteet eivät toimi ilman hyviä sähköjärjestelmiä. Sähkösuunnittelun ja -analyysin alkuaikoina esimerkiksi johtimen pituuden määrittely oli äärimmäisen manuaalinen prosessi. Kun sähkösuunnitteluista tuli monimutkaisempia, manuaalisesta lähestymistavasta tuli epäkäytännöllinen ja sähkö- ja fyysisen suunnittelun välille kehitettiin tiukka integrointi, jotta eri suunnittelualueiden välillä olevien johdonmukaisten ja koherenttien mallien vaatimuksiin vastattaisiin. Tämä integraatio saavutetaan luomalla kaksisuuntainen liitäntä ECAD- ja MCAD-

työkalujen välille, jossa ECADtyökalu tuottaa jokaisen johtimen liitäntäinformaation yhdessä muiden tärkeiden ominaisuuksien kanssa. MCAD-työkalu sitten reitittää johtimen, kaapelin tai johdinsarjan fyysisen 3D-tilan läpi ja lähettää johtimien pituudet takaisin ECAD-työkaluun. Tämä yhteistyöprosessi mahdollistaa nopeamman suunnittelun. Yhteistyö on pitkään tunnistettu tuottavuuden kasvattamisen ja suunnittelun kestävyyden varmistamisen mahdollistajaksi. Tiukasti integroitu sähkömekaaninen ratkaisu, kuten Solid Edge Wiring and Harness Design, mahdollistaa yhteistyön eri suunnittelualueiden yli, mikä varmistaa, että suunnittelun tarkoitus toteutetaan kunnolla ja että suunnittelu toimii heti ensimmäisellä kerralla. Älykkään suunnittelumetodologian avulla muutoksen vaikutus voidaan arvioida molemmissa työkaluissa yhteistyöympäristössä, mikä antaa suunnittelijoille mahdollisuuden tehdä sitä, minkä he parhaiten osaavat: innovoida.

Page 47


Electrify your designs Solid Edge Wiring and Harness Design

Model your design in 3D, then engineer the electrical detail with Solid Edge tools for wiring and harness design. A proven MCAD-ECAD solution for the mainstream market from industry leader Mentor Graphics. Solid Edge Wiring and Harness Design: when ease of use and value are as important as functionality.

www.siemens.com/electrical-design

Profile for ETNdigi

ETNdigi - issue 2/2019  

ETNdigi is a technology magazine concentrating on embedded technology. It is published 2-3 times/year.

ETNdigi - issue 2/2019  

ETNdigi is a technology magazine concentrating on embedded technology. It is published 2-3 times/year.

Profile for etndigi