WHY FPGA?NECST Lab, Politecnico di MilanoGianluca Drappogianluca.drappo@gmail.comNicholas Dascanionicholas.dascanio95@gmail.com

Hello everybod welcome back to our second presentation of MaMa. Today Im glad to explain yo why we chosen Fpga for our project.

Context

A cell culture is a sequence of chambers which contain cells.

The importance of a good chambers connection is correlated with the necessity of a precise metabolism analysis: exact volumes of fluids need to be directed in specific chambers through a network of channels and valves.

https://www.microfluidicfuture.com

Let me remind something about the context, explained in the previous presentation.We focus on control of a cell culture. A cell culture is a sequency of chamber which contain cells, a network of channels connect every chamber together, while valves control the fluid flow.This control should be very efficenct due to bring the correct volume of fluids in specific chambers to allow an optimal metabolism analysis, so the valves menagement require an high level of precision.

Problem

Nowadays, the pipes control is implemented on a software through a calculating in the laboratory.

DIGILENT PYNQ-Z1 Dev BoardDue to the necessity of a quick and efficient analysis, it would be faster and better-performing to accelerate the whole control on a hardware device

Nowadays the microfluidic chip is controlled by software, supported with an embedded boards which have a low power processor and this open or close the valves, to reach a specific chamber.The metabolism analysis and every procedure do in order to mantain a safer environment for the cells, must be done in a fast and efficent way, however the processor has a low computational power and cant do too many things together . Thus for these reasons is better to implement the controller on something which can guarantee an high performance.Moreover the protocol for the control of the chamber is the same for each, so the process has an evident possibility of paralellization.Therefore an hardware implementation seems the best solution.

Hardware solution

http://www.actualtech.io

ASIC

Procede to analyse the different hardware platform by three inficatorFirst of all we have the CPU which has an high flexibility an affordable cost but whith low performance.On the other and the FPGA is quite expencive but earns in term of Flexibility and performance with an high standard for both.At the end the last solution analysed is the asic, it can guarantee the highest performance with a good cost although it cant be used for different chip, because is necessery a rebuild of the hardware.At first our project must by flexible in order to guarantee the adaptability of different chip, so we exclude asic.In addition in case of an huge number of chamber, we need the same performance, hence we also keep out the CPU, which slow down the all process if the number of data became large.As a Result the FPGA is the best solution!

Analizziamo quindi tre diverse piattaforme hardware in base a tre importanti indicatori.La cpu ha un costo medio, una performance mediamente bassa ma unalta flessibilit. Lfpga, daltro canto, sacrifica il costo per una buona performance e una grande flessibilit. lasic, infine, ha una bassa flessibilit ma un costo adatto e una grande performance.Sappiamo ora che, per prima cosa, la nostra piattaforma deve poter essere riprogrammabile, senno non ci si potrebbe adattare a chip con diverso numero di camere. Scartiamo pertanto lAsic.In secondo luogo, la cpu ha si molta flessibilit ma, dal momento che puntiamo ad una scalabilit molto alta, cio ad un controllo simultaneo di pi camere, potrebbe non essere sufficientemente potente dal punto di vista computazionale. Eliminiamo quindi la cpu.Resta la fpga, che vorremmo adottare come soluzione principale.

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Analizziamo quindi tre diverse piattaforme hardware in base a tre importanti indicatori.La cpu ha un costo medio, una performance mediamente bassa ma unalta flessibilit. Lfpga, daltro canto, sacrifica il costo per una buona performance e una grande flessibilit. lasic, infine, ha una bassa flessibilit ma un costo adatto e una grande performance.Sappiamo ora che, per prima cosa, la nostra piattaforma deve poter essere riprogrammabile, senno non ci si potrebbe adattare a chip con diverso numero di camere. Scartiamo pertanto lAsic.In secondo luogo, la cpu ha si molta flessibilit ma, dal momento che puntiamo ad una scalabilit molto alta, cio ad un controllo simultaneo di pi camere, potrebbe non essere sufficientemente potente dal punto di vista computazionale. Eliminiamo quindi la cpu.Resta la fpga, che vorremmo adottare come soluzione principale.

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Analizziamo quindi tre diverse piattaforme hardware in base a tre importanti indicatori.La cpu ha un costo medio, una performance mediamente bassa ma unalta flessibilit. Lfpga, daltro canto, sacrifica il costo per una buona performance e una grande flessibilit. lasic, infine, ha una bassa flessibilit ma un costo adatto e una grande performance.Sappiamo ora che, per prima cosa, la nostra piattaforma deve poter essere riprogrammabile, senno non ci si potrebbe adattare a chip con diverso numero di camere. Scartiamo pertanto lAsic.In secondo luogo, la cpu ha si molta flessibilit ma, dal momento che puntiamo ad una scalabilit molto alta, cio ad un controllo simultaneo di pi camere, potrebbe non essere sufficientemente potente dal punto di vista computazionale. Eliminiamo quindi la cpu.Resta la fpga, che vorremmo adottare come soluzione principale.

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Analizziamo quindi tre diverse piattaforme hardware in base a tre importanti indicatori.La cpu ha un costo medio, una performance mediamente bassa ma unalta flessibilit. Lfpga, daltro canto, sacrifica il costo per una buona performance e una grande flessibilit. lasic, infine, ha una bassa flessibilit ma un costo adatto e una grande performance.Sappiamo ora che, per prima cosa, la nostra piattaforma deve poter essere riprogrammabile, senno non ci si potrebbe adattare a chip con diverso numero di camere. Scartiamo pertanto lAsic.In secondo luogo, la cpu ha si molta flessibilit ma, dal momento che puntiamo ad una scalabilit molto alta, cio ad un controllo simultaneo di pi camere, potrebbe non essere sufficientemente potente dal punto di vista computazionale. Eliminiamo quindi la cpu.Resta la fpga, che vorremmo adottare come soluzione principale.

Possible applications

In a real metabolism analysis is also required an efficient and dynamic image processingFpga could allow a skilled parallelization: it can conduct a quick image processing and, at the same time, a precise pipes control

journals.plos.orgSpartan XC3S700AN FPGA

La scelta della piattaforma hardware non dovrebbe basarsi solo sul controllo delle valvole. Il nostro progetto per il momento basato solo sul controllo delle valvole ma lfpga ha anche altri vantaggi. Una vera analisi metabolica, infatti, la si realizza mediante tecniche di imaging molto sofisticate. La piattaforma che abbiamo indicato soddisfa anche questo requisito. Infatti, lfpga permette una grande parallelizzazione ed computazionalmente potente, realizza quindi un veloce processamento di immagine e, allo stesso tempo, un preciso controllo delle valvole.Lfpga, quindi, si conferma nuovamente come la soluzione migliore.

nicholas.dascanio95@gmail.comgianluca.drappo@gmail.comThanks for attention!https://www.facebook.com/MaMaatNECSThttps://twitter.com/MaMa_NECSTLab

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