Arduino MKR Vidor 4000: ¿Una nueva revolución?

A más de 15 años de distancia de la creación de la placa Arduino, ocurrida en la Escuela de Interaction Design de Ivrea en 2003, no hay ya ninguna duda de que la idea tenida por el equipo guiado por Massimo Banzi ha revolucionado para siempre el mundo del diseño de los sistemas electrónicos interactivos.

Con la invención de Arduino la programación de los microcontroladores, materia tradicionalmente compleja y dominio de pocos ingenieros especializados, se ha vuelto al alcance de todos, sobre todo de un público de diseñadores, creativos y artistas normalmente carentes de competencias sobre las tecnologías electrónicas e informáticas.

Este proceso de democratización, cómplice la cultura open source que permeaba el entero proyecto, ha favorecido el desarrollo de nuevos productos y desencadenado parte del proceso de innovación que hoy llamamos Industria 4.0.

La misma entrada del movimiento maker en el mainstream cultural ha sido favorecida por la repercusión en el mercado de las muchas invenciones nacidas en el ámbito de la red global de Fab Lab desarrollados con los nuevos paradigmas de prototipado rápido por primera vez en manos de personas con cultura humanística y no necesariamente tecnológica.

Los microcontroladores están dentro de muchos productos que regulan la vida cotidiana de todos nosotros, desde la centralita del automóvil hasta el sistema de control presente en todos los electrodomésticos, y son mucho más penetrantes que los microprocesadores, corazón de los ordenadores, smartphones y tablets.

Pero existe otra categoría de chips electrónicos igualmente importantes e igualmente penetrantes, sobre todo en el mundo de la alta tecnología y de las telecomunicaciones. Se trata de los llamados FPGA, acrónimo de Field Programmable Gate Array.

¿De qué se trata?

Para comprenderlo hay que dar algo de información sobre los ladrillos que están a la base de la moderna electrónica digital.

La mayor parte de los dispositivos electrónicos actuales se basan en la electrónica digital, es decir en circuitos electrónicos que elaboran señales eléctricas reducidas a dos valores fundamentales, idealmente representados por los dos números de la aritmética binaria, 1 y 0, pero también por los dos estados eléctricos más fáciles de generar y de comprender: encendido o apagado.

Un moderno dispositivo electrónico tiene en su interior circuitos compuestos por millones de componentes capaces de combinar las señales digitales. El más simple de los componentes de estos circuitos, el ladrillo fundamental, se llama “puerta lógica”. Cada puerta es capaz de combinar varias señales de entrada proporcionando un resultado en salida.

Un sistema electrónico digital no es más que una red de millones de puertas lógicas interconectadas.

Los diseñadores de sistemas electrónicos pueden realizar sus propios productos interconectando chips que contienen funciones estándar, pueden utilizar chips programables como los microcontroladores que tienen dentro una estructura predefinida pero que pueden memorizar secuencias de instrucciones que sirven para realizar las funciones deseadas, o pueden diseñar un circuito electrónico ad hoc, es decir una nueva y original red de puertas lógicas que desarrolla la funcionalidad deseada.

El diseño de estos nuevos chips electrónicos se realiza con programas de software específicos, que generan instrucciones e imágenes que se utilizan para fabricar chips de silicio con el circuito deseado en su interior.

Una vez ‘grabado’, encapsulado en el packaging de plástico y salido de la línea de producción, un chip electrónico es inmodificable. Si queremos variar o realizar nuevas funciones tenemos que repetir el proceso y fabricar un nuevo chip.

Poner a punto un nuevo chip y realizar los primeros ejemplares es la parte del proceso que requiere la mayor inversión. Si producimos miles de chips a partir del prototipo inicial la inversión se diluirá sobre el número de ejemplares producidos. Fabricar un chip una vez que se ha montado la línea de fabricación cuesta poco. Es el motivo por el cual las nuevas tecnologías al principio son caras y se proponen al mercado a un precio elevado y tras algunos meses el coste baja y en pocos años se vuelve casi irrisorio.

En el caso en el que el diseñador pretenda experimentar una solución particular para su producto, o el chip final esté destinado a aplicaciones que no requieren producciones en serie — pensemos en el sector espacial donde sistemas complejos como los satélites se producen en ejemplares a menudo únicos — la puesta en obra de una línea de producción puede ser una inversión insostenible. Por este motivo a partir de la segunda mitad de los años ‘80 se ha difundido una tecnología que permite ‘programar’ y reprogramar cuando sea necesario la red de puertas lógicas dentro de un chip de silicio dedicado.

Un FPGA es justamente un array, en Roma diríamos una ‘sfilza’ (sarta), de puertas lógicas que pueden ser interconectadas a placer realizando cualquier circuito digital utilizando oportunas señales eléctricas y oportuno software de diseño y control.

Un FPGA es por tanto un chip producido en serie, y por tanto económico, que puede ser especializado y transformado en el particular chip digital ideado por el diseñador. Esta operación es reversible y puede realizarse muchas veces haciendo posibles experimentaciones y desarrollo para prototipos sucesivos, y es también el modo de obtener chips especializados a bajo coste.

Obviamente las cosas son un poco más complejas y articuladas de como las hemos contado pero el concepto base es más o menos este.

La programación de los FPGA no es cosa fácil y requiere conocimientos muy específicos y especializados.

Tampoco la programación de los microcontroladores estaba al alcance de todos hasta la llegada de Arduino.

Comprenderéis por tanto la excitación y la gran expectativa que ha generado el anuncio realizado en mayo de este año en la Maker Faire de San Francisco por parte de Massimo Banzi, el padre de Arduino, de atacar el mercado de los FPGA llevando también a este sector las lógicas que han democratizado el mundo de los Microcontroladores.

El anuncio se refería a un nuevo producto específico denominado MKR Vidor 4000. En la práctica, un Microcontrolador Arduino combinado con un FPGA, todo programable desde el sistema de desarrollo de Arduino con la misma lógica de uso de librerías que facilitan y ponen al alcance de todos el proceso.

El éxito de Arduino deriva precisamente del método de desarrollo que aplican sus usuarios. Es un método típico de los maker y en inglés se llama tinkering. En italiano y español es intraducible, pero un niño que juega y crea con el Lego está haciendo tinkering.

Programar un FPGA con una especie de ladrillos Lego es algo que podría llevar la revolución maker un paso más allá.

El primer MKR Vidor 4000 acaba de llegar al Spazio Chirale y la hemos probado.

Hemos configurado el habitual software para programar Arduino según las instrucciones para poder usar la nueva placa, descargado las nuevas librerías preparadas por la community Arduino para experimentar la componente FPGA y con un par de ladrillos Lego presentes en estas librerías hemos procesado como si nada la señal TV capturada por una cámara y enviada a nuestra megapantalla 4K del laboratorio utilizando el conector micro HDMI presente en el Vidor 4000.

¡La primera sensación es que en los próximos meses veremos cosas hermosas!