מחשבי על קומפקטים
חברת NEOSYS הישראלית מפתחת מערכות מתקדמות לעיבוד תמונה שעתידות להחליף את ה-DSP וה-FPGA. הצצה נדירה לעתיד עולם העיבוד
הגנה לישראל
| 19/05/2011
(shutterstock.com)
דרישות עיבוד הנתונים במערכות בטחוניות בדור החדש מציבות אתגרים רבים, הן מבחינת החומרה והן מבחינת התוכנה. הצורך בעיבוד תמונה בזמן אמת וברזולוציות HD ומעלה, תוך שמירה על הספקים ועלויות נמוכות בפתרונות המבוססים על מערכות משובצות מחשב (embedded) מצמצם מאוד את מגוון הפתרונות האפשריים.
השילוב בין הבנה טכנולוגית מעמיקה ויצירתיות מאפשר להרחיב את טווח הפתרונות, להציע פתרונות המבוססים על שינוי גישה, בתחום שנחשב לשמרני ברובו - ולהצליח.
"הבעיה שניצבה בפנינו כללה עיבוד תמונה מתקדם מבוסס מערכת מרכזית (central processing), כאשר רכיבי החיישנים מעבירים מידע למערכת קבלת החלטות המשותפת לכולם", אומר דוד זהבי,CTO בחברת NEOSYS. "המוטיבציה לחיפוש פיתרון יצירתי נבעה מעלויות הציוד היקרות והסרבול הגדול בפיתרון הקיים. יכולות העיבוד שנדרשו מהרכיבים הציבו רף גבוה מאוד לתמונות ברזולוציה של HD וקצב של 120FPS בזמן-אמת. פתרונות FPGA או DSP נפסלו על סף מכיוון שאין להם יכולת עיבוד מספקת בדרישות הפרויקט וזמני הפיתוח היו ארוכים במיוחד".
כחלק מתהליך הפיתוח אופיינו מרבית המרכיבים הקריטיים במערכת שעתידה לעמוד, דרישות תוכנה וחומרה לריצה בזמן-אמת עם שמירה על הספקים נמוכים. מתוך הבנת הדרישות ואפשרויות החומרה הזמינות בשוק נבחר פיתרון מתאים, משולב תוכנה וחומרה אשר פותחו באופן מלא על ידי חברת NEOSYS. הפתרון המיוחד מתבסס על הטמעת יחידת עיבוד תמונה מתקדמת ביותר בחיישן עצמו.
באופן זה לא היה צורך להעביר את כל המידע הגולמי שהחיישן קלט אלא רק את האינפורמציה המעובדת שנוצרה בחיישן עצמו. רוחב הסרט הנדרש לצורך כך קטן יותר, והחיישן החכם תוכנן בצורה כזו שצריכת ההספק שלו תהיה מזערית. הפתרון של NEOSYS יצר מערכת בה כל חיישן פועל באופן עצמאי, עלויות המערכת הוזלו וזמן ההגעה לשוק (TTM) היה מהיר יותר. הפתרון פותח תוך פחות מחצי שנה.
אפשרויות החיבור של רכיב העיבוד לחיישן כללו ממשק GigE או LVDS. הפלטפורמה הכילה זיכרון של 4GB, מעבד עם שתי ליבות x86 ואיחסון מבוסס SSD מסוג mSATA לצורכי מערכת ההפעלה ושמירת ארכיב להקלטות ועיבוד החיישן. כל זאת על גבי כרטיסון עיבוד מתוחכם במימדים מזעריים.
מערכות עיבוד הטרוגניות המשלבות GPU ו- CPU
חברת NEOSYS הוקמה על מנת לספק חדשנות טכנולוגית הלכה למעשה בתחומי HPC. כאשר מדובר בפתרונות HPC, קשה ליצור פתרון שמותאם באופן אופטימלי לצרכי הלקוח ללא הבנה מעמיקה הן של הצרכים והן של המערכות, שכן הן עתירות ביצועים ומורכבות מאוד.
מערכות ה-HPC של NEOSYS הינן מערכות עיבוד הטרוגניות, המשלבות GPU ו-CPU, המהוות תחליפים למערכות מבוססות DSP ו-FPGA . הדרך שניאוסיס בחרה היא שילוב של חומרה המבוססת על GPGPU בסביבת X86- עם פתרונות תוכנה אופטימליים המותאמים לצרכי הלקוח. סל הפתרונות של NEOSYS כולל מפתרונות בסיסים ועד לפתרונות Turnkey מלאים כדי לספק מענה למגוון האפליקציות והשימושים בתעשיה. לחברה ידע נרחב בתחומי הנדסת מערכת , אופטימיזציות תוכנה לתחומי עיבוד תמונה וויזואליזציה ופתוח מערכות חומרה אופטימליות למגוון תחומים.
"מערכות HPC הן מערכות עתירות ביצועים. בתחום HPC הביצועים נמדדים ב-GFlops ( מיליארד פעולות בשניה). לשם השוואה, ליבה של מעבד סטנדרטי מתוצרת אינטל יכולה לספק ביצועים הנמדדים בין 10 ל-30GFlops, בעוד שמעבד GPU יחיד יכול להגיע ל-80 עד 1000GFlops. מערכות משולבות של CPU+GPU יכולות להגיע לביצועים שבין 80 עד 500GFlops, וצריכת ההספק של מערכת כזו תנוע בין 5 עד 45 וואט. היתרון המשמעותי במערכות בעלות ארכיטקטורה משולבת הוא שהן משתפות את אותו מרחב זיכרון. זהו דבר קריטי ברוב היישומים הבטחוניים, במיוחד עבור עיבודי תמונה, שבהם קצבי עיבוד המידע גבוהים מאוד", מסביר מרדכי בוטראשוילי, VP R&&D בחברתNEOSYS .
במערכות מרובות ליבות יש חשיבות קריטית לסינכרון בין הליבות וקשה מאוד להבין את המתרחש מאחורי הקלעים במערכות אלה. למשל, במערכת מסויימת בת 12 ליבות וזיכרון מטמון של 16 מגבייט הופעלו בו זמנית כל הליבות לצורך עיבוד תמונות גדולות מאוד, והופיעו מצבי Cache miss ו-Overlhead מאוד גדול, או במלים אחרות - ירידה בביצועים.
חברת NEOSYS שיפרה את המערכת על ידי תכנון מחדש של האפליקציה עם דגש על ניהול נכון של העומסים ואפשרה לממש אותה רק עם 8 ליבות בפועל ושיפור ביצועים פי 4 ביחס למערכת המקורית.
מערכות מתאימות גם ליישומי מכ"ם וסונאר
המערכות של NEOSYS מספקות יכולות HPC קומפטקטיות וקלות עבור התעשיה הביטחונית והרפואית. המוצרים מזוודים במארזים קטנים ומאופיינים בצריכת הספק נמוכה. מערכת מתוצרת החברה הצורכת 200 וואט יכולה להחליף מערכת קיימת הצורכת 1Kw. בנוסף על החלפת מוצרים קיימים, מקנים מוצרי החברה אפשרות שדרוג עתידי ללא צורך בהחלפת חומרה, על ידי ביצוע שדרוגי תוכנה. המערכות פותחו על בסיס רכיבים סטנדרטיים, כגון מערכות X-86 וסביבות תוכנה סטנדרטיות .
מערכות NEOSYS מיועדות למגוון אפליקציות, שכן הפתרונת נתפרים באופן הדוק לצרכי הלקוח. אחד מפלחי השוק אליהם פונה החברה הוא תחום עיבוד התמונה. ממערכות אלו נדרש לבצע סגמנטציה - זיהוי אובייקטים בתמונה, שיפור איכות התמונה, ביצוע רגיסטרציה ודחיסה ופריסה של וידאו. המערכות הבסיסיות מספקות רזולוציה של Full HD ( 1080P), בקצבים של 60hz. צריכת ההספק הכללית של מודול כזה ( TDP) היא בין 5 ל-17 וואט. מדובר על מערכות היכולות לתת פתרון לביצועים הנדרשים על ידי מערכות מכ"ם וסונאר.
מערכות אלו תומכות גם בויזואליזציה (תמיכה בתצוגה מרובת מסכים, עד ששה מסכים מסונכרנים או עצמאיים) וניתן לממש גם תצוגת סטריאו ותלת מימד בעזרתן. בתחום הרפואי מספקות המערכות מענה גם על דרישות התצוגה וגם על דרישות העיבוד של מירב האפלקיציות עבור אולטרא סאונד, CT ו- MRI, הן של מערכות ניידות והן של תחנות עבודה במעבדות עצמן.
במוצרי NEOSYS משולבות מערכות הפעלה שונות ובהן אנדרואיד, לינוקס, חלונות, ופלטפורמות העובדות בזמן אמת כגון VX-Works. ניתן לבצע את הפיתוח ולהריץ אפליקציות בכל סביבות הפיתוח כגון C, C+, .NET , JAVA, Python ו- MATLAB, ובסביבות הרצה לחישובים מקביליים ווקטורים MPI, OpenMP. מימדי המודולים נעים מסביבות מוקטנות של Q7 ועד לשרתים מרובי GPU. עלות פיתרון בסל המוצרים של NEOSYS מתחיל ב-300 דולר לפתרון כולל.
הפתרונות של NEOSYS מבוססים על שלושה צבירי ידע. - NeoTEchטכנולוגיות של חוד הידע בתחומי HPeC/GPU/HPC המשלבות תהליכיCUDA, OpenCL , כלים גרפיים ממשפחות OpenGL ו-DirectX, מעבדים מרובי ליבות SSE ו- AVX ושילוב של מוצרים ופלטפורמות מתוצרת חברות שונות.
Neo Sol - כלים לאנליזה ופיתוח תוכנה המאפשרים את מימוש הפתרונות והצעת פתרונות חדשניים. Neo Key - פתרונות Turnkey מותאמים לצרכי הלקוח, המשלבים חומרה, מערכות הפעלה ותוכנה, כאשר התוכנה והחומרה נבחרות בקפידה מתוך הבנת צרכי הלקוח והמערכת.
מערכות החברה הן מערכות הטרונגניות המבוססות שילוב מעבד ממשפחת X-86 ומעבד גרפי מתוצרת אינטל ויש אפשרות להרחיב אותן ולשלב בהן מעבדים גרפיים מתוצרת Nvidia או AMD.
המערכות הגדולות ועתירות הביצועים צורכות הספק של 500 ואט ומעלה והן בתצורת 1U ויותר. הן כוללות עד 8 כרטיסי GPU ויכולות תקשורת מהירה (GigE ,10G ותקשורת אופטית) הן בתוך הכרטיס והן אל מחוצה לו ויש להן זיכרון בקיבולת גבוהה מאוד.
דרישות עיבוד הנתונים במערכות בטחוניות בדור החדש מציבות אתגרים רבים, הן מבחינת החומרה והן מבחינת התוכנה. הצורך בעיבוד תמונה בזמן אמת וברזולוציות HD ומעלה, תוך שמירה על הספקים ועלויות נמוכות בפתרונות המבוססים על מערכות משובצות מחשב (embedded) מצמצם מאוד את מגוון הפתרונות האפשריים.
השילוב בין הבנה טכנולוגית מעמיקה ויצירתיות מאפשר להרחיב את טווח הפתרונות, להציע פתרונות המבוססים על שינוי גישה, בתחום שנחשב לשמרני ברובו - ולהצליח.
"הבעיה שניצבה בפנינו כללה עיבוד תמונה מתקדם מבוסס מערכת מרכזית (central processing), כאשר רכיבי החיישנים מעבירים מידע למערכת קבלת החלטות המשותפת לכולם", אומר דוד זהבי,CTO בחברת NEOSYS. "המוטיבציה לחיפוש פיתרון יצירתי נבעה מעלויות הציוד היקרות והסרבול הגדול בפיתרון הקיים. יכולות העיבוד שנדרשו מהרכיבים הציבו רף גבוה מאוד לתמונות ברזולוציה של HD וקצב של 120FPS בזמן-אמת. פתרונות FPGA או DSP נפסלו על סף מכיוון שאין להם יכולת עיבוד מספקת בדרישות הפרויקט וזמני הפיתוח היו ארוכים במיוחד".
כחלק מתהליך הפיתוח אופיינו מרבית המרכיבים הקריטיים במערכת שעתידה לעמוד, דרישות תוכנה וחומרה לריצה בזמן-אמת עם שמירה על הספקים נמוכים. מתוך הבנת הדרישות ואפשרויות החומרה הזמינות בשוק נבחר פיתרון מתאים, משולב תוכנה וחומרה אשר פותחו באופן מלא על ידי חברת NEOSYS. הפתרון המיוחד מתבסס על הטמעת יחידת עיבוד תמונה מתקדמת ביותר בחיישן עצמו.
באופן זה לא היה צורך להעביר את כל המידע הגולמי שהחיישן קלט אלא רק את האינפורמציה המעובדת שנוצרה בחיישן עצמו. רוחב הסרט הנדרש לצורך כך קטן יותר, והחיישן החכם תוכנן בצורה כזו שצריכת ההספק שלו תהיה מזערית. הפתרון של NEOSYS יצר מערכת בה כל חיישן פועל באופן עצמאי, עלויות המערכת הוזלו וזמן ההגעה לשוק (TTM) היה מהיר יותר. הפתרון פותח תוך פחות מחצי שנה.
אפשרויות החיבור של רכיב העיבוד לחיישן כללו ממשק GigE או LVDS. הפלטפורמה הכילה זיכרון של 4GB, מעבד עם שתי ליבות x86 ואיחסון מבוסס SSD מסוג mSATA לצורכי מערכת ההפעלה ושמירת ארכיב להקלטות ועיבוד החיישן. כל זאת על גבי כרטיסון עיבוד מתוחכם במימדים מזעריים.
מערכות עיבוד הטרוגניות המשלבות GPU ו- CPU
חברת NEOSYS הוקמה על מנת לספק חדשנות טכנולוגית הלכה למעשה בתחומי HPC. כאשר מדובר בפתרונות HPC, קשה ליצור פתרון שמותאם באופן אופטימלי לצרכי הלקוח ללא הבנה מעמיקה הן של הצרכים והן של המערכות, שכן הן עתירות ביצועים ומורכבות מאוד.
מערכות ה-HPC של NEOSYS הינן מערכות עיבוד הטרוגניות, המשלבות GPU ו-CPU, המהוות תחליפים למערכות מבוססות DSP ו-FPGA . הדרך שניאוסיס בחרה היא שילוב של חומרה המבוססת על GPGPU בסביבת X86- עם פתרונות תוכנה אופטימליים המותאמים לצרכי הלקוח. סל הפתרונות של NEOSYS כולל מפתרונות בסיסים ועד לפתרונות Turnkey מלאים כדי לספק מענה למגוון האפליקציות והשימושים בתעשיה. לחברה ידע נרחב בתחומי הנדסת מערכת , אופטימיזציות תוכנה לתחומי עיבוד תמונה וויזואליזציה ופתוח מערכות חומרה אופטימליות למגוון תחומים.
"מערכות HPC הן מערכות עתירות ביצועים. בתחום HPC הביצועים נמדדים ב-GFlops ( מיליארד פעולות בשניה). לשם השוואה, ליבה של מעבד סטנדרטי מתוצרת אינטל יכולה לספק ביצועים הנמדדים בין 10 ל-30GFlops, בעוד שמעבד GPU יחיד יכול להגיע ל-80 עד 1000GFlops. מערכות משולבות של CPU+GPU יכולות להגיע לביצועים שבין 80 עד 500GFlops, וצריכת ההספק של מערכת כזו תנוע בין 5 עד 45 וואט. היתרון המשמעותי במערכות בעלות ארכיטקטורה משולבת הוא שהן משתפות את אותו מרחב זיכרון. זהו דבר קריטי ברוב היישומים הבטחוניים, במיוחד עבור עיבודי תמונה, שבהם קצבי עיבוד המידע גבוהים מאוד", מסביר מרדכי בוטראשוילי, VP R&&D בחברתNEOSYS .
במערכות מרובות ליבות יש חשיבות קריטית לסינכרון בין הליבות וקשה מאוד להבין את המתרחש מאחורי הקלעים במערכות אלה. למשל, במערכת מסויימת בת 12 ליבות וזיכרון מטמון של 16 מגבייט הופעלו בו זמנית כל הליבות לצורך עיבוד תמונות גדולות מאוד, והופיעו מצבי Cache miss ו-Overlhead מאוד גדול, או במלים אחרות - ירידה בביצועים.
חברת NEOSYS שיפרה את המערכת על ידי תכנון מחדש של האפליקציה עם דגש על ניהול נכון של העומסים ואפשרה לממש אותה רק עם 8 ליבות בפועל ושיפור ביצועים פי 4 ביחס למערכת המקורית.
מערכות מתאימות גם ליישומי מכ"ם וסונאר
המערכות של NEOSYS מספקות יכולות HPC קומפטקטיות וקלות עבור התעשיה הביטחונית והרפואית. המוצרים מזוודים במארזים קטנים ומאופיינים בצריכת הספק נמוכה. מערכת מתוצרת החברה הצורכת 200 וואט יכולה להחליף מערכת קיימת הצורכת 1Kw. בנוסף על החלפת מוצרים קיימים, מקנים מוצרי החברה אפשרות שדרוג עתידי ללא צורך בהחלפת חומרה, על ידי ביצוע שדרוגי תוכנה. המערכות פותחו על בסיס רכיבים סטנדרטיים, כגון מערכות X-86 וסביבות תוכנה סטנדרטיות .
מערכות NEOSYS מיועדות למגוון אפליקציות, שכן הפתרונת נתפרים באופן הדוק לצרכי הלקוח. אחד מפלחי השוק אליהם פונה החברה הוא תחום עיבוד התמונה. ממערכות אלו נדרש לבצע סגמנטציה - זיהוי אובייקטים בתמונה, שיפור איכות התמונה, ביצוע רגיסטרציה ודחיסה ופריסה של וידאו. המערכות הבסיסיות מספקות רזולוציה של Full HD ( 1080P), בקצבים של 60hz. צריכת ההספק הכללית של מודול כזה ( TDP) היא בין 5 ל-17 וואט. מדובר על מערכות היכולות לתת פתרון לביצועים הנדרשים על ידי מערכות מכ"ם וסונאר.
מערכות אלו תומכות גם בויזואליזציה (תמיכה בתצוגה מרובת מסכים, עד ששה מסכים מסונכרנים או עצמאיים) וניתן לממש גם תצוגת סטריאו ותלת מימד בעזרתן. בתחום הרפואי מספקות המערכות מענה גם על דרישות התצוגה וגם על דרישות העיבוד של מירב האפלקיציות עבור אולטרא סאונד, CT ו- MRI, הן של מערכות ניידות והן של תחנות עבודה במעבדות עצמן.
במוצרי NEOSYS משולבות מערכות הפעלה שונות ובהן אנדרואיד, לינוקס, חלונות, ופלטפורמות העובדות בזמן אמת כגון VX-Works. ניתן לבצע את הפיתוח ולהריץ אפליקציות בכל סביבות הפיתוח כגון C, C+, .NET , JAVA, Python ו- MATLAB, ובסביבות הרצה לחישובים מקביליים ווקטורים MPI, OpenMP. מימדי המודולים נעים מסביבות מוקטנות של Q7 ועד לשרתים מרובי GPU. עלות פיתרון בסל המוצרים של NEOSYS מתחיל ב-300 דולר לפתרון כולל.
הפתרונות של NEOSYS מבוססים על שלושה צבירי ידע. - NeoTEchטכנולוגיות של חוד הידע בתחומי HPeC/GPU/HPC המשלבות תהליכיCUDA, OpenCL , כלים גרפיים ממשפחות OpenGL ו-DirectX, מעבדים מרובי ליבות SSE ו- AVX ושילוב של מוצרים ופלטפורמות מתוצרת חברות שונות.
Neo Sol - כלים לאנליזה ופיתוח תוכנה המאפשרים את מימוש הפתרונות והצעת פתרונות חדשניים. Neo Key - פתרונות Turnkey מותאמים לצרכי הלקוח, המשלבים חומרה, מערכות הפעלה ותוכנה, כאשר התוכנה והחומרה נבחרות בקפידה מתוך הבנת צרכי הלקוח והמערכת.
מערכות החברה הן מערכות הטרונגניות המבוססות שילוב מעבד ממשפחת X-86 ומעבד גרפי מתוצרת אינטל ויש אפשרות להרחיב אותן ולשלב בהן מעבדים גרפיים מתוצרת Nvidia או AMD.
המערכות הגדולות ועתירות הביצועים צורכות הספק של 500 ואט ומעלה והן בתצורת 1U ויותר. הן כוללות עד 8 כרטיסי GPU ויכולות תקשורת מהירה (GigE ,10G ותקשורת אופטית) הן בתוך הכרטיס והן אל מחוצה לו ויש להן זיכרון בקיבולת גבוהה מאוד.
