Technologie-ontwikkelaar en -producent Demcon heeft vorige maand een belang genomen in QBayLogic B.V. Deze spin-off van de Universiteit Twente heeft een taal ontwikkeld voor het ‘ontwerpen’ van hardware (computerchips), om daar de maximale prestatie uit te halen wat betreft snelheid en energie-efficiëntie. In 2016 vond QBayLogic onderdak bij het incubatorprogramma van Demcon en kon het klanten gaan ondersteunen bij het ontwerpen van hardware. Een succesvol project voor Demcon bevestigde de potentie van de nieuwe hardwarebeschrijvingstaal. Dankzij de deelneming kan QBayLogic verder groeien en nieuwe producten ontwikkelen, zoals tools die het werken met de taal versnellen.
Software is tegenwoordig de drijvende kracht achter de ontwikkeling van geavanceerde systemen. Denk aan razendsnelle beeldverwerking of complexe algoritmen voor allerlei vormen van kunstmatige intelligentie. Het probleem is alleen dat de standaard hardware (processorchip) niet snel genoeg is voor dergelijke toepassingen. Daarom zijn de zogeheten fpga’s (field-programmable gate arrays) sterk in opkomst. Bij deze chips wordt voor een optimale prestatie tegelijk ook de hardware ‘mee-ontwikkeld’: in feite wordt er dan een computerprocessor ontwikkeld die specifiek geschikt is voor de betreffende applicatie.
Christiaan Baaij
Functionele programmeertalen
Traditionele programmeertalen voor software, zoals C, C++ en Java, zijn niet geschikt om ook de hardware te ‘programmeren’. Specifieke talen voor hardwarebeschrijving zijn er wel, zoals VHDL en (System) Verilog, maar die werken op een laag abstractieniveau en zijn mede daardoor gebruiksonvriendelijk. QBayLogic heeft een taal ontwikkeld, Clash geheten (CλaSH als beeldmerk), voor het functioneel programmeren van fpga’s op een hoger abstractieniveau. Als functionele hardwarebeschrijvingstaal is Clash zeer geschikt om de structuur of architectuur van een applicatie te beschrijven in termen van de gewenste functionaliteit. Vervolgens vertaalt Clash, als een compiler, het functionele ontwerp automatisch naar de feitelijke hardware-programmering in VHDL of (System) Verilog.
Goedkoper, sneller en energiezuiniger
In 2016 is QBayLogic als spin-off vanuit de Universiteit Twente (UT) opgericht door Jan Kuper en Christiaan Baaij. Kuper was dertig jaar docent informatica aan de UT, Baaij promoveerde er op de ontwikkeling van Clash, die Kuper in 2007 al in gang had gezet. “De hele wereld programmeert in C, C++, Java en Matlab, maar wil je echt de essentie van computerhardware te pakken krijgen, dan moet je overstappen naar een functionele hardwarebeschrijvingstaal. Daarom hebben wij Clash ontwikkeld. In de hardware vinden veel bewerkingen, zoals rekenoperaties, parallel plaats, terwijl de klassieke talen sequentieel werken, met stap voor stap programmeren. Daardoor halen zij maar de helft van de maximale prestatie uit een fpga. Met onze taal heb je wel greep op hoe de hardware werkt en kun je het maximale eruit halen. Daardoor is de architectuur die onze taal voor een applicatie definieert goedkoper, sneller en energiezuiniger. Bovendien kun je een programma sneller en eenvoudiger testen dan bijvoorbeeld bij VHDL.”
Incubator
Op zoek naar een plek waar de start-up organisch kon groeien zonder externe investeringen, kwam QBayLogic terecht bij Demcon. Met zijn incubatorprogramma biedt Demcon startende bedrijven (naast eventuele support bij engineering en productie) vooral huisvesting en ondersteuning bij personele en juridische zaken. In het eerste gesprek met directeur Dennis Schipper was er gelijk een klik, vertelt Kuper. “Na drie kwartier stonden we weer buiten en hadden we een toezegging voor huisvesting. We konden aan de slag en zouden later wel bespreken hoe we de samenwerking formeel konden regelen. Met het aandeel dat Demcon vorige maand heeft genomen in QBayLogic, is dat nu afgerond.” Schipper: “De ambitie van QBayLogic sprak me aan en ik zag gelijk de meerwaarde van hun aanpak voor de complexe systemen die wij ontwikkelen en bouwen, met software – en dus ook programmeerbare hardware – als een steeds belangrijkere factor. Wij willen als incubator voor startende bedrijven fungeren en dat heeft voor QBayLogic tot nu toe heel goed uitgepakt.” De juridische ondersteuning door Demcon bijvoorbeeld was meteen al van cruciaal belang bij de onderhandelingen van QBayLogic met een grote, internationale klant.
Joost Kauffman
Samenwerking
Interessant was ook dat Demcon zelf opdrachtgever voor QBayLogic kon worden. Een eerste gezamenlijk project beviel goed, meldt Joost Kauffman, senior mechatronic systems engineer bij Demcon optomechatronic systems. “De kracht van QBayLogic ligt in hun toolbox, die open source is en dus geen hoge licentiekosten met zich meebrengt, en hun zeer ervaren mensen die ons kunnen ondersteunen. Ik verwacht dat we vaker een beroep op hen gaan doen voor toepassingen in precisie-instrumenten en productiemachines. Denk aan het tracken van wafers in een productieproces. Dat moet met heel hoge frequentie gebeuren om de wafers stabiel te houden. Dan kom je vanzelf bij fpga’s terecht.”
Satellietcommunicatie
De eerste samenwerking betrof de ontwikkeling van een golffrontsensor voor satellietcommunicatie door Demcon en TNO in opdracht van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. Voor het compenseren van atmosferische verstoringen moet die sensor een vervormbare spiegel aansturen. Het algoritme voor de verwerking van alle sensordata werd vanwege de hoge datasnelheid met Clash geprogrammeerd in een fpga. Demcon schakelde daarvoor QBayLogic in. Intussen werken de fpga’s in het satellietcommunicatiesysteem naar tevredenheid, aldus Kauffman.
“QBayLogic heeft laten zien dat je met hun aanpak sneller een toepassing kunt programmeren in de hardware dan met de traditionele benadering vanuit mainstream programmeertalen en dat je meer greep hebt op de uitkomst. Over fouten in de implementatie hoef je je geen zorgen te maken, want die haalt de compiler eruit. Bovendien was voor de benodigde 5 kHz datafrequentie de performance niet met een normale pc te bereiken. Een fpga haalt die snelheid wel. Daar komt bij dat de code die Clash genereert heel efficiënt is, waardoor je soms met een goedkopere fpga uit kunt dan voor code die op de traditionele manier is gemaakt. Bovendien kun je met een fpga tot op de nanoseconde timen wanneer bijvoorbeeld data van a naar b gaan, of wanneer een bepaalde bewerking is afgerond. Dat is belangrijk voor tijd-kritische processen.”
Derde taal
QBayLogic telt inmiddels naast de twee oprichters vier medewerkers en staat nu voor de uitdaging de wereld te winnen voor deze abstractere manier van hardware programmeren. Baaij: “Bestaande teams kun je niet zo snel omscholen, want die houden vast aan de bekende talen, maar wij hebben wel het vertrouwen dat we nieuwe teams hierin kunnen opleiden. De toepassing van fpga’s zien we snel toenemen; je kunt ze nu al in de cloud per uur huren voor specifieke toepassingen. Wij willen Clash positioneren als de derde taal voor het programmeren van fpga’s, naast én boven VHDL en Verilog, als de taal die er qua gebruiksgemak en testbaarheid bovenuit steekt.”
Krachtige en flexibele ontwikkelomgeving
Op dit moment werkt QBayLogic aan enkele langlopende projecten voor buitenlandse opdrachtgevers en krijgt het meer en meer vraag naar ondersteuning voor projecten. Daar zal het niet bij blijven, QBayLogic werkt ook aan de ontwikkeling van tools om het ontwerpproces te ondersteunen, bijvoorbeeld om in een vroeg stadium de efficiëntie van de te ontwikkelen hardware te kunnen inschatten. Dat is nauwelijks mogelijk met de methoden die op dit moment in de praktijk worden gebruikt. Vanwege het formele karakter leent Clash zich wel goed voor wiskundige analysemethoden zoals dataflowmodellen. “Dat zal een belangrijke verbetering zijn van de gangbare ontwerpmethoden, want daarbij ben je veelal afhankelijk van trial & error om tot een ontwerp te komen dat voldoende efficiënt is”, verklaart Baaij. Kuper vult aan: “Een van onze buitenlandse opdrachtgevers, een zeer groot bedrijf, is geïnteresseerd in de ontwikkeling van dergelijke tools. Dat sluit aan op onze ambitie om Clash uit te breiden tot een krachtige en flexibele ontwikkelomgeving voor computerhardware en daar draagt de deelneming van Demcon zeker aan bij.”
