Vestavné systémy: výhled do budoucnosti s umělou inteligencí a udržitelností

Na veletrhu Embedded World, který se bude konat od 14. do 16. března 2023 v Norimberku, představí pět institutů Fraunhoferovy společnosti svůj vývoj v oblasti edge AI, udržitelných systémů a konstrukce senzorů. Ve stánku v hale 4, č. 422 budou odborníci pod heslem „inteligentní, efektivní, udržitelné“ prezentovat své nejnovější projekty.

Od vozidel přes průmyslové závody až po domácí spotřebiče – vestavné systémy jsou nedílnou součástí mnoha aspektů každodenního života a přebírají důležité úkoly řízení, regulace a zpracování informací. Aby bylo dosaženo optimálního výkonu v různých prostředích a aplikacích, musí být vestavěné systémy kompaktní a inteligentní a zejména šetřit zdroje. Na veletrhu Embedded World 2023 vědci z Fraunhoferovy společnosti předvedou vývoj od neuromorfních čipů po energeticky soběstačné senzory.

Obr. 1. Platforma embeddif.[ai] spouští složité úlohy strojového učení lokálně na vestavných systémech – bez potřeby cloudu

Edge AI: umělá inteligence pro elektronické systémy

Inteligentní, samoučící se vestavné systémy hrají stále důležitější roli při zdokonalování takových produktů, jako jsou nositelná zařízení ve sportu, chytré reproduktory, digitální zařízení v maloobchodě nebo monitorování stavu průmyslových strojů. Fraunhoferův ústav pro integrované obvody IIS nabízí uživatelům svou platformu embeddif.[ai] (obr. 1), která urychluje vývoj řešení s AI pro vestavné systémy. Umožňuje provozovat aplikace umělé inteligence nezávisle na cloudovém serveru, díky čemuž jsou energeticky úsporné a mají zajištěnou suverenitu dat. Tyto výhody umožňují firmám využívat umělou inteligenci pro různé úlohy na minimálním prostoru.

Edge AI lze použít také prostřednictvím neuromorfních hardwarových architektur. Odborníci z Fraunhoferova ústavu IIS vyvíjejí nové čipové platformy inspirované lidským mozkem. Jedním z příkladů jsou pulzní (spiking) neuronové sítě, které zpracovávají informace ve formě pulsů energeticky účinným způsobem. Návštěvníci veletrhu budou moci vidět tyto sítě v akci v živé ukázce.

Fraunhoferův ústav pro mikrolektronické obvody a systémy IMS představí AIfES, platformově nezávislou a neustále rostoucí knihovnu pro strojové učení vyvinutou v programovacím jazyce C. AIfES běží na téměř jakémkoli hardwaru, od 8bitových mikroprocesorů po chytré telefony a počítače. Fraunhoferův ústav IMS s využitím rodiny vestavěných procesorů RISC-V AIRISC nabízí bezpečný a efektivní hardware pro senzorové systémy a vestavnou AI pro implementaci zákaznicky specifických rozšíření v krátkém čase.

Kromě toho Fraunhoferův ústav IMS představí svůj fotodetektor pro systémy LiDAR. Tento inteligentní „světelný kolektor“ registruje jednotlivé světelné události a umožňuje vývoj komplexních senzorů vzdálenosti. Na příkladu létající experimentální platformy Albacopter vědci předvedou možnost využití tohoto detektoru v městské dopravě.

Udržitelnost a energetická účinnost vestavných systémů

Pokud jde o vestavné systémy, udržitelnost je relevantním tématem jak z hlediska vývoje, tak používání. Kromě optimalizace energeticky náročných výrobních procesů jsou s ohledem na úsporu zdrojů důležité takové úvahy o udržitelnosti, jako je nutnost aktualizace používaného softwaru nebo otázka, zda lze systém opravit nebo je nutné jej vyměnit.

Na veletrhu Embedded World představí vědci z oddělení návrhu adaptivních systémů Fraunhoferova ústavu IIS metodu pro včasnou detekci poškození hardwaru pomocí tepelné spektroskopie. Měřením přechodového tepelného odporu lze zjistit poškození krytu integrovaného obvodu nebo diskrétních elektronických součástek dříve, než dojde k funkční poruše. To umožňuje opravu nebo výměnu součásti v rané fázi.

V oblasti získávání energie vyvíjí Fraunhoferův ústav IIS technologie a systémy pro využití energie z okolního prostředí k zajištění energetické soběstačnosti malých elektronických zařízení. Vědci mohou získávat dostatek energie z vibrací ze strojů, zařízení nebo konstrukcí, jakož i z teplotních rozdílů mezi potrubími a prostředím. Získaná energie postačí pro napájení mnoha zařízení IoT nebo alespoň pro prodloužení životnosti jejich baterií.

Rostoucí miniaturizace distribuovaných elektronických systémů představuje stále větší výzvy, pokud jde o zásobování energií. V kontextu elektroniky pro energeticky úspornou informační a komunikační techniku se Fraunhoferův ústav pro spolehlivost a mikrointegraci IZM zabývá tématy od charakterizace systému a energeticky účinného návrhu hardwaru až po energeticky optimalizovaný návrh firmwaru. Tým Fraunhoferova ústavu IZM modeluje a parametrizuje celý řetězec přeměny energie, od zdroje přes vhodné zpracování a meziskladování až po variabilní zátěže.

Návrh senzorů a senzorových systémů

Jedním ze základních aspektů průmyslu vestavných systémů je vývoj integrovaných obvodů a senzorů na míru. Fraunhoferův institut pro organickou elektroniku, elektronové paprsky a plazmovou technologii FEP představí svůj inovativní návrh integrovaného obvodu a základní desky pro nové mikrodispleje a senzory specifické pro dané úlohy. Návštěvníci se budou moci na vlastní oči přesvědčit o využití různých OLED mikrodisplejů např. v termovizích nebo rozšířené realitě. Spolehlivý systém rozšířené reality (AR) pro průmyslové úlohy lze použít i jako součást ochranných přileb. To dokazuje vysokou úroveň jasu a nízkou spotřebu použitých mikrodisplejů OLED.

Pokud jde o návrh senzorů a senzorových systémů, Fraunhoferův ústav IIS představí řešení na míru pro neustále se měnící požadavky průmyslu. Důraz bude kladen na vývoj ASIC se smíšenými signály a inteligentních integrovaných senzorových systémů.

Pro usnadnění agilního vývoje softwaru je vyžadováno hluboké testování vestavných systémů SiL (Software in the Loop). Výzkumníci z oddělení návrhu adaptivních systémů Fraunhoferova ústavu IIS nabízejí virtuální hardwarové modely, které lze použít k provedení hlubokého softwarového testu bez hardwaru, čímž lze od počátku zvýšit robustnost systému.

Fraunhoferův ústav IZM představí dvě plug-and-play senzorové platformy, které umožňují rychle testovat a ověřovat koncepční nápady pro bezdrátové a radarové senzorové systémy. Výzkumníci předvedou univerzální radarovou platformu pro využití v pásmech 24, 60 a 79 GHz, která zajistí efektivní realizaci radarových snímačů. Platforma umožňuje vývoj systémů s dosahem od 0,1 do 260 m a úhlovým rozlišením menším než 10°.

Další informace o účasti Fraunhoferovy společnosti na veletrhu Embedded World zájemci najdou na https://www.fraunhofer.de/en/events/fraunhofer-at-trade-fairs/2023/embedded-world-2023.html.

(Bk)