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機器人系統(tǒng)實驗室的工作重點之一就是為機器人研究搭建基于CPU+FPGA的異構(gòu)計算平臺。引入異構(gòu)平臺，是由于機器人研究需要同時引入時間和空間計算模型。CPU作為時間計算模型的完美代表，指令按時間順序一條一條執(zhí)行， 可以實現(xiàn)靈活多變的控制；加速器則更像一種空間計算模型，利用空間的并行從而一次性完成大量數(shù)據(jù)處理，使復雜的計算得到加速處理。在這樣一個充滿挑戰(zhàn)的實驗室，機器人大腦“HERO”誕生了！
硬件介紹
HERO平臺全稱為Heterogeneous Extensible Robot Open Platform，是英特爾中國研究院專為智能機器人（包括服務機器人、醫(yī)療機器人、自動駕駛汽車等）打造的一套低功耗、高性能、體積小的異構(gòu)系統(tǒng)平臺方案。在此方案中，CPU作為控制中心， 與FPGA和其他專用加速器芯片（如Movidius的VPU）搭配，能夠提供高效的性能。整套HERO硬件系統(tǒng)采用了英特爾酷睿™系列CPU，搭載英特爾Arria 10 GX系列1150型FPGA作為異構(gòu)加速器。
HERO平臺的硬件結(jié)構(gòu)
英特爾酷睿™是英特爾主流架構(gòu)的CPU系列。與傳統(tǒng)PC相比，在辦公、游戲和視頻處理方面都有了很大的性能提高，并且具有豐富的IO功能，提供了各種高速、低速接口。HERO平臺搭載了一塊第七代酷睿™i5-7600T ， 具體性能指標參考如下：
對于FPGA，HERO平臺選用了英特爾最新產(chǎn)品——Arria 10 GX 1150。這款產(chǎn)品資源豐富：內(nèi)部集成了1150K個邏輯單元，可以作為算法處理的基本功能單元；還集成了單精度浮點乘法器和加法器硬核各1518個，運算實力暴增，最高速率可達1.366TFLOPS；綜合片內(nèi)豐富的存儲布線資源以及對外高速內(nèi)存接口，保證了FPGA在機器人控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡推理端的性能加速。
CPU和FPGA之間通過第三代8通道PCIe高速接口進行通信，帶寬最高可以達到80Gbps。目前整套系統(tǒng)采用緊湊型主板疊加全高半長PCIe板卡，保證其物理尺寸控制在17cm（長）x17cm（寬）x9cm（高）以內(nèi)，嬌小玲瓏的身材能解決機器人空間體積受限的難題，并在性能和功耗兩者之間取得了很好的平衡，在盡可能實現(xiàn)性能最大化的前提下將功耗最小化，整機功耗最高預算不超過90W。和采用GPU作為加速器、動輒消耗幾百瓦功耗的系統(tǒng)相比起來，HERO平臺的功耗是不是低到讓你超級興奮？
眼尖的你一定發(fā)現(xiàn)了A10 FPGA PCIe加速卡是由兩層電路板疊加構(gòu)成。沒錯，你說得對！ FPGA加速卡由FPGA核心模塊和IO模塊兩部分組成。核心模塊由FPGA和高速DDR4內(nèi)存組成，是系統(tǒng)最核心的組成部分。其大小為12cm（長）x8cm（寬），對外通過FMC連接器提供約200個可配置IO，功能可由用戶自定義。這樣FPGA核心模塊就可以通過連接IO模塊對外提供客戶訂制的外設(shè)接口，比如I2C、I2S、串口、USB、網(wǎng)口等，從而接入機器人使用的傳感器和執(zhí)行單元，并完成相互間的通信。
設(shè)計Flow支持
傳統(tǒng)的FPGA編程方式令多數(shù)軟件工程師望而卻步，而HERO平臺為大家?guī)砹烁Ｒ簟３藗鹘y(tǒng)的專業(yè)編程模型，HERO平臺專門定制的BSP（Board Support Package）還支持基于OpenCL的flow開發(fā)，給廣大的算法和軟件工程師提供了友好的編程接口。
OpenCL系統(tǒng)開發(fā)示意圖
上圖顯示了一個定制化系統(tǒng)要支持OpenCL Flow所需的軟件以及FPGA硬件支持�？梢钥闯�，對于一個用戶定制化的SDK，在host系統(tǒng)端需要提前定義好內(nèi)存映射，而在FPGA端則需要提供完整的數(shù)據(jù)通路以及控制通路，才能支持OpenCL Kernel的實時動態(tài)加載和運行。
作為定制化的SDK平臺，為了支持OpenCL Flow，HERO平臺上移植了完整的FPGA板級支持包（Board Support Package），作為HERO SDK的一個組成部分提供給用戶�，F(xiàn)有HERO SDK BSP的FPGA邏輯部分主要包括高速通信接口PCIe IP核、內(nèi)存DMA控制器、片外高速內(nèi)存DDR4接口，以及和FPGA內(nèi)部模塊之間的通信接口。如果用戶想增加FPGA與外部接口之間的通訊， HERO平臺也有相應的BSP參考設(shè)計，能夠指導客戶更好、更快地實現(xiàn)各種靈活多變的外部接口。
HERO平臺優(yōu)點
這一長串的專業(yè)介紹是不是讓你有點眼（tou）花（yun）繚（nao）亂（zhang）？別著急，這就為大家總結(jié)HERO平臺的優(yōu)勢：
體積小巧：設(shè)計緊湊，體型小巧，能夠被輕松地集成到各類機器人或者車上。如果應用只需要FPGA做算法加速，則平臺的尺寸可以做到與核心模塊差不多大，整個設(shè)計會更小。如果需要引出IO接口，用戶也可以根據(jù)需要對IO板量體裁衣。
靈活度高：精心設(shè)計了雙板結(jié)構(gòu)——核心板和IO板，兩板之間互相獨立。核心板主要負責算法和控制，IO板管理各種傳感器，這種設(shè)計的好處在于方便不同用戶進行裁剪設(shè)計，F(xiàn)PGA的選型可以根據(jù)算法的復雜度進行調(diào)配，IO的配置也可以根據(jù)應用的要求進行裁剪。你的機器人你做主，你的IO你說了算！算法實現(xiàn)不滿意，可以改；IO連接不滿意，可以改；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不滿意，還可以改。是不是很贊？
接口豐富：HERO平臺提供了約200個IO接口供你自由選擇，向上支持高達16Gbps的高速串行接口，向下也能hold住各種低速接口。對于視覺、控制、自動駕駛等應用都可以支持。
如果你什么都不想改，就想直接拿來用，也沒問題！HERO平臺提供的基礎(chǔ)IO模塊，已經(jīng)貼心地為你設(shè)計好了各種可能用到的高速 or低速、常用or不常用、標準or不標準的接口，基本能滿足你的所有想法。聽起來是不是很心動？
HERO平臺應用
HERO平臺的應用前景廣闊。以服務機器人為例，其主要作用是幫助人完成任務和動作。為了實現(xiàn)這一目標，研發(fā)人員需要在機器人上實現(xiàn)各種復雜的應用控制技術(shù)，包括視覺、定位、運動、抓取等。FPGA可以在這些關(guān)鍵應用上發(fā)揮極大的價值，讓復雜算法的處理變得高效而實時，帶給用戶良好的體驗。
此外，HERO平臺上移植的同步定位與地圖構(gòu)建（SLAM）算法，比單獨使用CPU高出了十幾倍的頻率，讓機器人不再“迷失方向”。平臺還針對機器人的雙臂運動規(guī)劃集成了現(xiàn)今最廣泛的抓取平臺——MoveIt！，并在此基礎(chǔ)上進行了運動規(guī)劃、碰撞檢測等核心難題的研究，實現(xiàn)了機器人實時、高精度的運動規(guī)劃 。
