Concours InnovateFPGA 2021 : des concepteurs créatifs nous montrent comment aborder le développement durable

Je ne sais pas ce qu'il en est pour vous, mais je suis de plus en plus inquiet pour notre avenir collectif. Nous entendons souvent le terme « durabilité » de nos jours, mais qu'est-ce que cela signifie réellement ? D'une certaine manière, la durabilité fait référence à la capacité des humains et de la biosphère de la Terre à coexister. Dans Notre avenir à tous (Our Common Future), également connu sous le nom de rapport Brundtland, publié par les Nations unies en octobre 1987, la durabilité a été définie avec justesse comme « ... la satisfaction des besoins de la génération actuelle sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs ».

Notre capacité à atteindre la durabilité est mise à mal par la croissance démographique et l'utilisation inefficace des ressources disponibles. C'est pourquoi le thème du concours de conception InnovateFPGA 2021-22 — lancé par Terasic en collaboration avec Intel, Analog Devices Inc. (ADI) et Microsoft — est « Connecter la périphérie pour un avenir durable (appliquer les technologies pour relever les défis mondiaux) ».

L'objectif du concours est d'inspirer et de créer des solutions durables qui réduisent notre impact sur l'environnement. Découvrons quelques-unes de ces idées : elles ne manqueront pas de vous faire réfléchir à ce que vous pouvez faire.

La lutte entre la population et les ressources

L'un des facteurs qui a un impact négatif sur la durabilité est le nombre d'habitants sur la planète. Prenons par exemple les célèbres pyramides de Gizeh, qui ont été construites entre 2550 et 2490 avant J.-C., soit il y a environ 4500 ans au moment où j'écris ces lignes. À l'époque, il n'y avait qu'environ 20 millions de personnes sur la planète. À titre de comparaison, à l'heure où nous écrivons ces lignes, la population est estimée à 7,9 milliards, et ce nombre devrait passer à 8,5 milliards d'ici 2030¹, à 9,2 milliards d'ici 2040², et à près de 10 milliards d'ici 2050³.

Du point de vue positif, l'une des choses pouvant influencer positivement la durabilité est notre capacité à concevoir et à mettre en œuvre des solutions sociales et technologiques à nos problèmes.

J'aime la science-fiction et le fantastique. Lorsque j'étais jeune, à la fin des années 1960 et au début des années 1970, je me souviens avoir lu le roman de science-fiction The Rolling Stones (également publié sous le nom de Space Family Stone au Royaume-Uni), paru en 1952, de l'auteur américain de science-fiction, ingénieur aéronautique et officier de marine Robert Anson Heinlein. Dans cette fiction, la famille Stone, qui réside sur la Lune, achète et reconstruit un vaisseau spatial d'occasion et part faire le tour du système solaire. Dans ce cadre, ils visitent la ceinture d'astéroïdes où l'équivalent de la ruée vers l'or californienne (1848-1855) est en cours, avec des mineurs d'astéroïdes à la recherche de divers matériaux, y compris des minerais radioactifs.

Bien que cela puisse encore sembler relever de la science-fiction pour de nombreuses personnes, il est intéressant de noter que, pas plus tard qu'en 2017, l'école des mines du Colorado a lancé un programme d'études supérieures multidisciplinaire offrant un certificat post-baccalauréat, un master en sciences et un Ph.D en exploitation minière des astéroïdes (ils l'appellent « Ressources spatiales », mais ils ne trompent personne, nous savons ce qu'ils veulent dire).

Le problème est que la Terre est un système fermé. La quantité de matériaux disponibles est limitée. Ce que nous avons aujourd'hui est ce que nous aurons demain et après-demain. Même si l'on parle sérieusement d'extraire des matières premières (par exemple, du fer, du nickel, de l'iridium, du palladium, du platine, de l'or, du magnésium et, éventuellement, de l'eau) de la Lune, d'objets géocroiseurs et d'astéroïdes, on estime qu'il faudra attendre au moins 20 ans avant de pouvoir le faire. Même lorsque cela se produira, le coût en termes d'énergie, de temps et de ressources pour ramener ces matériaux sur Terre fera que leurs quantités seront insignifiantes pendant de nombreuses années encore. Nous ne pouvons donc pas nous attendre à recevoir des quantités importantes de matières premières supplémentaires dans un avenir prévisible. Il nous appartient donc d'utiliser au mieux ce que nous avons.

Renverser le cours des choses : le concours de conception InnovateFPGA 2021-22

Inspiré par les problèmes et les besoins identifiés par des organisations telles que le programme de micro-financements du Fonds pour l'environnement mondial (FEM), qui est mis en œuvre par le Fonds de développement des Nations unies, tout cela nous a conduit au concours de conception InnovateFPGA (Figure 1).

Figure 1 : L'un des facteurs susceptibles d'avoir un impact positif sur la durabilité est notre capacité à concevoir et à mettre en œuvre des solutions sociales et technologiques à nos problèmes. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Pour relever le défi de durabilité, Terasic, Intel, ADI et Microsoft ont lancé le concours de conception InnovateFPGA 2021-22, qui met l'accent sur l'utilisation intelligente des FPGA en vue de réduire la demande en ressources de la Terre.

Les FPGA sont particulièrement utiles pour cette application car ils sont à la fois flexibles et reconfigurables. En outre, de nombreuses conceptions de ce concours sont basées sur l'utilisation d'algorithmes sophistiqués tels que l'intelligence artificielle (IA) et la vision artificielle (MV), qui nécessitent de grandes quantités de calcul. La structure programmable d'un FPGA peut être configurée pour mettre en œuvre des opérations de manière massivement parallèle, ce qui leur permet d'exécuter localement et en temps réel des algorithmes de calcul intensif tout en consommant relativement peu d'énergie.

Les participants doivent s'inscrire en tant qu'équipes composées d'une à trois personnes résidant dans la même zone géographique. Ces équipes ont été invitées à utiliser un kit de connectivité FPGA Cloud DE10-Nano P0685 de Terasic, reposant sur la combinaison du très populaire kit DE10-Nano P0496 et d'une carte fille P0499 RFS (Figure 2).

Le DE10-Nano est basé sur un FPGA Cyclone V SE d'Intel complété par 1 gigaoctet (Go) de SDRAM DDR3, une embase d'extension Arduino (compatible Uno R3), une sortie Full HD HDMI, un port UART-à-USB, un port USB On-the-Go (OTG), un connecteur de carte Micro SD, Gigabit Ethernet et des embases GPIO. Le FPGA SoC (système sur puce) Cyclone V combine une structure programmable (110 000 éléments logiques (LE)) et deux cœurs de processeur Arm® Cortex®-A9 32 bits.

Figure 2 : Le kit de connectivité FPGA Cloud combine les riches fonctionnalités et la polyvalence d'un FPGA SoC Intel Cyclone V avec les avantages de la connectivité cloud. Des capteurs supplémentaires peuvent être connectés au moyen des embases compatibles Arduino ou de l'embase QuikEval d'ADI. (Source de l'image : Terasic)

De son côté, la carte fille RFS ajoute la communication Wi-Fi et Bluetooth, ainsi que de nombreux capteurs tels qu'un gyroscope, un magnétomètre et un accéléromètre à neuf axes, ainsi que des capteurs de lumière ambiante, de température et d'humidité.

Bien entendu, aussi puissant soit-il, le kit de connectivité FPGA Cloud DE10-Nano est d'une utilité limitée à lui seul. « Aucun homme n'est une île », comme l'a écrit le poète anglais John Donne au XVII siècle, sous-entendant que personne n'est vraiment autonome et que chacun doit compter sur la compagnie et le réconfort des autres pour s'épanouir. Dans notre cas, le kit de connectivité FPGA Cloud DE10-Nano peut nécessiter l'ajout de capteurs supplémentaires ; il peut également avoir besoin de communiquer avec le cloud.

Ainsi, pour soutenir le concours de conception InnovateFPGA 2021-22, ces kits seront fournis gratuitement aux équipes participantes sélectionnées, ainsi qu'un petit lot de cartes enfichables d'Analog Devices et des crédits/un accès à durée limitée aux services cloud Azure de Microsoft.

Analog Devices dispose d'un vaste portefeuille de cartes d'évaluation et de conceptions de référence pour aider les développeurs à relever les défis des applications au niveau système, par exemple, l'EVAL-CN0398-ARDZ (mesure du pH, de la température et de l'humidité du sol), l'EVAL-CN0397-ARDZ (détection de la lumière à trois canaux pour l'agriculture intelligente) et le DC1338B (moniteur de courant, de tension et de température I²C). Ces cartes peuvent être connectées au DE10-Nano via les embases compatibles Arduino ou l'embase ADI QuikEval.

La forme de la durabilité : un échantillon des 261 projets présentés

Bien sûr, je n'ai pas pu résister à l'envie de découvrir les nombreuses propositions de projets. Nous parlons de 261 projets qui couvrent un large éventail de domaines d'application. Si vous décidez d'y jeter un coup d'œil, vous pouvez vous munir d'une boisson et d'un en-cas, car vous allez être occupé pendant un bon moment.

Restauration des récifs coralliens et collecte automatique des déchets : les projets qui ont immédiatement attiré mon attention sont les suivants : le projet EM043, qui propose un système intelligent sous-marin d'apprentissage profond de distribution microbienne pour la restauration de l'habitat des récifs coralliens (Figure 3), et le projet AS034, une poubelle intelligente capable d'identifier et de classer les objets afin de déterminer ce qui peut ou ne peut pas être recyclé.

Figure 3 : Le projet EM043 est un système de restauration de l'habitat des récifs coralliens qui sera capable d'administrer des probiotiques aux coraux et de surveiller leur efficacité. La distribution sera régulée avec précision par un réseau d'apprentissage profond qui surveillera les changements de couleur des coraux. (Source de l'image : InnovateFPGA)

Le projet EM043 vise à inverser le phénomène de blanchiment des récifs coralliens causé par les changements de température qui entraînent l'expulsion par les récifs des algues vivant dans leurs tissus. C'est l'algue qui non seulement fournit la coloration, mais permet également au corail d'effectuer la photosynthèse nécessaire à sa survie et au maintien de l'écosystème.

Il existe divers micro-organismes bénéfiques pour les coraux (BMC) qui peuvent ralentir, voire stopper le processus de blanchiment, mais il faut déterminer lesquels et le mélange approprié par un long travail de prototypage et de tests en périphérie. Le projet EM043 associe le kit de connectivité cloud à un routeur 4G mobile, un panneau solaire, une caméra, un capteur de température, un détecteur de niveau et des algorithmes d'apprentissage profond pour effectuer l'analyse, et réguler la distribution de BMC à l'aide d'un module spécialisé (Figure 4).

Figure 4 : Le projet EM043 associe l'analyse d'apprentissage profond à des capteurs, un panneau solaire, un routeur 4G et un mécanisme de distribution BMC, avec le DE10 comme plateforme centrale de traitement. (Source de l'image : InnovateFPGA)

Le cloud Microsoft Azure est connecté à l'aide du routeur 4G, pour contrôler à distance le système de distribution et surveiller visuellement l'état des coraux.

Le système, tel qu'il est proposé, permet aux chercheurs marins de mener des expériences de suivi précises et fiables sur l'efficacité des BMC dans la réduction de l'effet de blanchiment, contribuant ainsi à un impact significatif sur la restauration d'un écosystème de récif corallien.

Élimination du CO₂ organique : un autre projet que j'apprécie pour sa simplicité et son évolutivité est l'EM003. Il s'agit d'une plante d'intérieur spéciale appelée « plante dormeuse » (maranta leuconeura), qui est une plante tropicale à faible croissance originaire d'Amérique du Sud. Différentes études et expériences ont prouvé la capacité de cette plante à absorber très efficacement les gaz à effet de serre par rapport à des plantes d'intérieur similaires. En fait, les créateurs du projet notent qu'une seule de ces plantes peut réduire la quantité de CO₂ dans une seule pièce de 14,40 % sur une période de 24 heures.

L'idée derrière ce projet est de contraindre les plantes dormeuses à absorber la plus grande quantité possible de CO₂. La méthode consistera à enregistrer les données sensorielles (température, humidité, lumière ambiante, humidité du sol) dans le cloud, à expérimenter avec le cycle d'irrigation et à analyser les résultats. L'objectif final est de faire en sorte que des millions de personnes utilisent ces plantes, afin de recueillir et analyser les données du plus grand nombre possible. En plus du kit de connectivité FPGA Cloud DE10-Nano, ce projet utilise un capteur d'humidité du sol et une pompe à eau avec un actionneur CC (Figure 5).

Figure 5 : Dans le projet EM003, toutes les données sensorielles sont pré-traitées par le FPGA, qui contrôle également le cycle d'irrigation de la plante ; les données traitées sont ensuite envoyées au cloud pour être combinées avec les données d'autres plantes afin d'être analysées. (Source de l'image : InnovateFPGA)

Drone pour l'analyse du stress hydrique agricole : je ne sais pas ce qu'il en est pour vous, mais j'adore tout ce qui a trait aux drones. Le projet AP008, qui présente un drone appelé « Agri-Bird » permettant de détecter le stress hydrique dans les exploitations agricoles, méritait donc d'être étudié (Figure 6). Cette équipe est basée à Islamabad, au Pakistan.

Selon l'équipe, l'agriculture utilise environ 90 % des réserves d'eau du Pakistan. Si les choses continuent sur leur lancée, les ressources en eau du pays pourraient être épuisées d'ici 2040. Pour éviter cela et apporter des solutions à l'agriculteur moyen, le projet AP008 propose d'utiliser la combinaison de données météorologiques, de données de capteurs au sol et de données aériennes recueillies par un drone pour créer un modèle de prévision du stress hydrique.

Figure 6 : En utilisant les données recueillies par un drone en conjonction avec des données provenant d'autres sources, le modèle de stress hydrique qui en résulte peut être utilisé pour prévenir (a) la perte de production due à un déficit hydrique, (b) la perte d'éléments nutritifs du sol due à un arrosage excessif, (c) une mauvaise régulation de l'irrigation, et (d) les incendies de forêt. (Source de l'image : InnovateFPGA)

Se débarrasser des déchets plastiques : je pourrais continuer, mais l'un des derniers projets qui m'intéresse personnellement est le projet AP080. Il s'agit d'un petit robot intelligent qui parcourt les rues de la ville pour repérer et collecter les déchets plastiques en vue de leur recyclage. Cette question me touche vraiment car je vois des déchets plastiques partout où je vais ces jours-ci (Figure 7).

Figure 7 : Ce ne sera pas forcément comme ça si le projet AP080 donne vie à son robot intelligent. Bien que ce projet soit initialement destiné aux rues des villes, il pourrait, à l'instar d'autres projets de ce type, contribuer à terme à réduire le fléau des déchets plastiques. (Source de l'image : The Nature Conservatory)

Quand j'étais enfant et que nous partions en vacances avec mes parents, après une journée à la plage, la règle familiale était de tout laisser plus propre que nous l'avions trouvé. Il s'agissait non seulement de ramasser nos propres déchets, mais également tous les autres déchets que nous pouvions voir dans les environs. Je frémis quand je vois des gens qui jettent leurs déchets avec désinvolture, en les laissant tomber en marchant ou en les jetant par la vitre de leur voiture. Il sera difficile de persuader ce genre de personne d'arrêter, mais leur comportement serait atténué si nous avions des robots comme ceux proposés par ce projet, qui nettoient derrière eux.

Ce qui est effrayant, c'est que, aussi intéressants et divers que soient les exemples de projets présentés ici, nous n'avons même pas effleuré la surface de toutes les possibilités offertes par les soumissions à ce concours. Rien qu'en parcourant rapidement les projets, je m'exclamais constamment « Oh, brillant ! », et je faisais des pauses pour approfondir la question. Je vais me replonger dans les projets dès que j'aurai fini d'écrire cette chronique.

Conclusion

Toutes les inscriptions au concours de conception InnovateFPGA 2021-22 ont été reçues. Les équipes travaillent maintenant d'arrache-pied sur leurs projets, avec en ligne de mire les finales régionales, qui auront lieu en mars 2022, et la grande finale, prévue en juin 2022. Je ne sais pas pour vous, mais pour ma part, j'ai hâte de voir les résultats de ce défi stimulant qui tombe à point nommé.