Cubrir las exigencias actuales de la computación periférica con la computadora de placa única Tachyon

Resumen técnico: En este artículo se analiza cómo las aplicaciones de computación en el borde requieren, cada vez más, una mayor potencia de procesamiento, aceleración de la IA, conectividad y compatibilidad con periféricos en un hardware compacto. La placa de sistema único (SBC) Tachyon de Particle responde a estas exigencias al integrar informática Linux, IA integrada en el dispositivo, conectividad 5G y E/S flexibles en una única plataforma para visión artificial, robótica, monitorización industrial y otros sistemas periféricos. (Descripción general cortesía de ChatGPT)

La computación periférica sitúa la capacidad de cálculo cerca de los sistemas que generan datos y ejecutan comandos, lo que proporciona potencia de procesamiento allí donde las plataformas convencionales de computadoras de sobremesa y servidores resultan poco prácticas. Los componentes de hardware fundamentales para estas implementaciones son las computadoras de placa única (SBC), es decir, sistemas completos capaces de ejecutar sistemas operativos completos, procesar datos y controlar el hardware conectado, todo ello condensado en una sola placa cuyo tamaño oscila entre el de una tarjeta de crédito y el de un smartphone.

A medida que las aplicaciones modernas de computación en el borde se extienden a la visión artificial, la automatización industrial, la robótica, las infraestructuras inteligentes y los sistemas cada vez más autónomos, también aumentan las exigencias de hardware y software que deben cumplir los SBC. Estas aplicaciones requieren una mayor capacidad de procesamiento, compatibilidad con una gama más amplia de sistemas periféricos y una conectividad más sólida. Los SBC también deben cumplir estos requisitos sin comprometer el diseño compacto que los hace prácticos para su implementación en el borde de la red.

La informática de borde moderna exige más a los SBC compactos

Muchos dispositivos periféricos han pasado de ser simples nodos de IoT a convertirse en sistemas que deben detectar su entorno, procesar grandes cantidades de datos, tomar decisiones de forma local y comunicar dichas decisiones a otras máquinas o a la nube. Estas tareas plantean exigencias específicas a casi todos los componentes de la plataforma informática, siendo la más fundamental de ellas la potencia de procesamiento bruta.

Una CPU potente es esencial para ejecutar sistemas operativos, aplicaciones de software, funciones de red y control, mientras que las tareas gráficas y las cargas de trabajo altamente paralelas requieren cada vez más la aceleración mediante GPU. Por consiguiente, un ingeniero de sistemas embebidos que desarrolle un dispositivo de visión artificial o de análisis de datos puede necesitar una potencia de cálculo considerablemente mayor que la que ofrece un microcontrolador.

Las aplicaciones modernas de borde también exigen una amplia compatibilidad de hardware, ya que cada una de ellas utiliza una combinación diferente de periféricos. Se necesitan interfaces para sensores y controladores, así como interfaces con mayor ancho de banda para periféricos que gestionan grandes volúmenes de datos, como los dispositivos de almacenamiento y el hardware multimedia. La amplia compatibilidad con interfaces permite que un único SBC se adapte a los distintos requisitos de las aplicaciones sin necesidad de hardware de interfaz adicional.

La conectividad es otro requisito fundamental, sobre todo para los sistemas de IoT. Los dispositivos instalados suelen tener que intercambiar datos con otros equipos y servicios en la nube. Además, deben permanecer accesibles para la supervisión remota, el diagnóstico y las actualizaciones de software. Ethernet y Wi-Fi proporcionan conectividad allí donde existe una infraestructura de red local, mientras que las redes móviles mantienen conectados a los dispositivos móviles y remotos allí donde no la hay.

Uno de los ámbitos de mayor crecimiento en la demanda de la computación periférica es la inteligencia artificial integrada en los dispositivos. Esta capacidad permite a los sistemas periféricos ejecutar cargas de trabajo de aprendizaje automático de forma local, procesando los datos allí donde se generan, en lugar de enviar continuamente datos sin procesar a la nube. Una cámara instalada en una línea de producción, por ejemplo, puede analizar el video de forma local, identificar un componente defectuoso y transmitir únicamente los datos de inspección resultantes. Esto reduce el tráfico de red y permite que las decisiones urgentes se tomen directamente en el propio dispositivo. La inferencia continua o en tiempo real de este tipo depende de una aceleración específica de la inteligencia artificial, en lugar de basarse únicamente en la CPU.

Todas estas capacidades suponen una carga considerable, tanto a nivel de hardware como de software, para la computadora de placa única. Uno de los retos consiste en ofrecer una capacidad de procesamiento suficiente sin dejar de mantener el tamaño reducido y el bajo consumo energético que hacen que los SBC resulten prácticos en primer lugar. Otro aspecto es la integración: dependiendo de la aplicación, es posible que una placa con las prestaciones adecuadas siga necesitando un acelerador de IA específico, un módem celular, un receptor GNSS o un circuito de gestión de la alimentación, lo que obligaría al ingeniero de diseño a incorporarlos como módulos independientes. Cada nueva incorporación aumenta el número de componentes, el tamaño de la placa, los requisitos de alimentación, las dependencias de software y el esfuerzo de integración.

Las plataformas periféricas diseñadas específicamente para un fin determinado pueden reducir el esfuerzo de integración en una aplicación concreta, aunque una mayor especialización puede limitar la flexibilidad del hardware y del software. La especialización limita el ecosistema de software al que tienen acceso los desarrolladores y dificulta los cambios de hardware o las futuras actualizaciones.

Por lo tanto, una plataforma práctica para la computación periférica moderna requiere una potente capacidad de procesamiento de uso general, aceleración por hardware para cargas de trabajo de IA, amplia conectividad y E/S, así como un entorno de software capaz de llevar un diseño desde la fase de prototipo hasta su implementación, todo ello en un formato compacto. La computadora de placa única Tachyon de Particle adopta este enfoque, integrando estas capacidades en torno a una plataforma informática de clase móvil de Qualcomm.

El SBC Tachyon integra la informática basada en Linux, el 5G y la IA de borde

Tachyon es una placa de sistema básico (SBC) con Linux y conexión 5G (Figura 1) basada en el procesador Dragonwing QCM6490 de Qualcomm, propio de los teléfonos inteligentes. Reúne una capacidad de procesamiento propia de los dispositivos móviles, inteligencia artificial integrada en el propio dispositivo y conectividad móvil integrada en una placa del tamaño de una tarjeta de crédito que mide 85 mm × 56 mm y pesa aproximadamente 55 g. A diferencia de la CPU y la GPU, el QCM6490 incorpora un procesador Hexagon 770 con aceleración dedicada de IA con una capacidad nominal de hasta 12 TOPS (billones de operaciones por segundo) para la inferencia en el propio dispositivo. Esto permite que las redes neuronales compatibles procesen los datos de los sensores de forma local, en lugar de depender de un procesamiento continuo en la nube, lo que reduce la latencia y libera recursos de la CPU para otras cargas de trabajo de las aplicaciones. Esta funcionalidad permite aplicaciones potenciales como la inspección visual, la detección de personas y vehículos, y la supervisión de cultivos.

Figura 1: La computadora de placa única Particle Tachyon integra un procesador Qualcomm QCM6490, un acelerador de IA de 12 TOPS y conectividad 5G en una placa del tamaño de una tarjeta de crédito. (Fuente de la imagen: Particle by Digi)

Tachyon integra directamente en la placa la conectividad necesaria para las implementaciones modernas en el borde de la red. El SBC incorpora Wi-Fi 6E y Bluetooth 5.2, ambos con antena integrada, además de hardware GNSS L1/L5 compatible con los principales sistemas de satélites a través de un conector U.FL para una antena externa. Wi-Fi 6E ofrece una conexión de red local de alta velocidad; Bluetooth 5.2 gestiona las conexiones de corto alcance con sensores y accesorios cercanos; y el GNSS de doble frecuencia permite el seguimiento de la posición y el sellado de tiempo de los eventos. La conexión por cable está disponible a través de un concentrador USB-C.

La placa de sistema básico (SBC) Tachyon lleva la conectividad un paso más allá gracias a su 5G integrado. El dispositivo de radio móvil opera en las bandas por debajo de los 6 GHz con la antena incluida, alcanzando velocidades de descarga de hasta 2.5 Gbps y recurriendo a LTE cuando no hay cobertura 5G disponible. Esto amplía el ámbito de aplicación de la placa a instalaciones remotas en las que las redes Wi-Fi y por cable no están disponibles, como la supervisión de tuberías y redes de servicios públicos o los sensores repartidos por terrenos abiertos. La conexión móvil funciona con la tecnología EtherSIM de Particle, una eSIM reprogramable integrada en la placa, que incluye conectividad para la gestión de dispositivos y planes de datos de mayor capacidad disponibles para un tráfico más intenso.

En lo que respecta a las integraciones físicas, Tachyon utiliza un conector de 40 pines compatible con Raspberry Pi, lo que permite la compatibilidad con los HAT y las placas de expansión existentes, aunque es posible que el software desarrollado para el hardware de Raspberry Pi deba adaptarse. El conector de cabecera incluye GPIO, I2C, SPI y UART, mientras que un conector Qwiic independiente ofrece una ampliación I2C sin soldaduras para los ecosistemas de SparkFun y Adafruit. Tachyon también cuenta con una interfaz PCIe de tercera generación, que proporciona una conexión de alta velocidad al almacenamiento NVMe u otros periféricos.

El SBC es compatible con aplicaciones de computación en el borde para visión artificial a través de dos conexiones MIPI, cada una con cuatro carriles que funcionan a una velocidad de hasta 2.5 Gbps, y puede albergar dos cámaras o una cámara y una pantalla. Los procesadores de señal de imagen del QCM6490 son compatibles con más de 20 sensores preintegrados. En cuanto a las salidas, además del puerto MIPI reconfigurable, el puerto USB-C principal puede conectar un monitor DisplayPort con una resolución de hasta 4K a 60 fps. Un conector de audio analógico permite la entrada y salida de audio, y está previsto ampliar la compatibilidad con el software.

Tachyon integra el almacenamiento y la memoria directamente en la placa, en lugar de incorporarlos en una tarjeta. El SBC TACH4NA (Figura 2) combina 4 GB de RAM con 64 GB de memoria flash UFS integrada, en la que se aloja el sistema operativo. La placa cuenta con una ranura para tarjetas SD que permite al usuario disponer de almacenamiento extraíble, mientras que la interfaz PCIe ofrece otra vía de acceso a almacenamiento NVMe de gran capacidad cuando sea necesario.

Figura 2: La placa SBC Particle TACH4NA Tachyon cuenta con 4 GB de RAM y 64 GB de memoria flash UFS integrada. (Fuente de la imagen: Particle by Digi)

La alimentación puede proceder del puerto USB-C principal, de la entrada de 5 V del conector de 40 pines o de una batería LiPo de 3.7 V conectada a un conector JST. Tachyon integra la carga de la batería y la gestión de la energía, por lo que la misma placa puede utilizarse tanto en instalaciones fijas como en sistemas portátiles sin necesidad de circuitos de carga de batería independientes. Su rango de funcionamiento recomendado, de -17 °C a +65 °C, permite su uso en una gama relativamente amplia de condiciones ambientales.

Hardware respaldado por un amplio ecosistema de software

Actualmente, Tachyon se distribuye con Ubuntu 20.04 en sus versiones sin interfaz gráfica y de escritorio, y es compatible tanto con implementaciones integradas como con aplicaciones gráficas completas de Linux. Particle también está desarrollando la compatibilidad con una pila de Ubuntu 24.04 más "upstream", basada en el trabajo de Canonical y Qualcomm, utilizando un núcleo cercano a la rama principal, cargadores de arranque abiertos y un sistema de archivos estándar de Ubuntu. En el momento de redactar este artículo, la versión más reciente sigue en fase beta mientras se perfecciona la compatibilidad con el hardware; el Wi-Fi, el Bluetooth, el almacenamiento UFS, el GPIO, el PCIe, el USB y la salida de pantalla funcionan correctamente, mientras que la compatibilidad completa con el módem celular aún se encuentra en fase de desarrollo. Tachyon también es compatible con Android 14, mientras que Yocto Linux está disponible a través del BSP de Linux de Qualcomm para sistemas embebidos más personalizados. Las versiones actuales del sistema utilizan imágenes monolíticas y se prevé la incorporación de actualizaciones incrementales o delta en el desarrollo futuro.

Conclusión

Las aplicaciones modernas en el borde de la red requieren mayor potencia de procesamiento, conectividad, compatibilidad con periféricos y capacidades de inteligencia artificial, sin renunciar al diseño compacto que hace que los SBC resulten prácticos. Particle Tachyon responde a estas necesidades integrando un entorno informático completo basado en Linux, inteligencia artificial integrada en el dispositivo, conectividad 5G y E/S flexible, además de compatibilidad con la gestión de flotas, todo ello en una única plataforma compacta. Esta combinación ofrece a los ingenieros una base versátil para la visión artificial, la robótica, la supervisión industrial y otros sistemas periféricos exigentes.