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Conversando con...

Alonzo Vera, científico del Cosmiac

Una señal digital para el desarrollo de las empresas

[12/03/2013] Hace unos días pudimos conversar con Alonzo Vera, científico del Configurable Space Microsystems Innovations & Applications Center (Cosmiac), y profesor investigador de la Universidad de Nuevo México. Con él hablamos sobre un tema que al principio nos parecía muy denso -procesamiento de señales digitales (DSP, por sus siglas en inglés) usando FPGA- pero que luego se fue decantando hacia el uso práctico de esta materia.
Los FPGA son una especie de chips vacíos que uno puede llenar con el software que uno desee para un propósito único. Su utilidad radica en que por dedicarse a una sola tarea puede hacerlo mejor, y eso es precisamente lo que Vera vino a explicar en un curso en la Universidad de Ingeniería y Tecnología (UTEC).
Tuvimos que empezar por lo más simple, entendiendo el campo de la digitalización y de ahí dimos el salto a la utilidad de los FPGA, de los que Vera vino a dar cátedra. Lo que en un inicio consideramos una entrevista muy densa luego fluyó ágilmente, con las explicaciones que nos dio el catedrático.
¿Cuál es el uso práctico del procesamiento de las señales digitales?
Nosotros vivimos en un mundo analógico, donde todo es señales continuas. Para poder hacer algo de utilidad con esto, existe desde hace un buen tiempo, la práctica de digitalizar.
Por ejemplo, nuestro oído es analógico, mi voz es una onda continua; pero para guardar la información en la grabadora, tiene que convertirse esa señal analógica en una señal digital y lo hace muestreando. En un momento en el tiempo, encuentra cuál es el valor de esa señal analógica, espera un poco, toma otro valor y así sucesivamente, conformando un proceso de muestreo. Esto es convertir una señal analógica en una señal digital.
Una vez que se logra hacer eso, todo se convierte en ceros y unos y se tiene una señal digital con la que se puede hacer muchas cosas. El procesamiento digital de señales es básicamente el área que se encarga de manipular matemáticamente estas señales digitales para mejorar su calidad, o para extraer información de esa señal, o para almacenarla, comprimirla, comunicarla a otro punto en el espacio.
Dicho esto, puedo decirte que el procesamiento digital de señales tiene aplicaciones en todo, desde comunicaciones, radio, televisión, GPS, hasta procesamiento de imágenes y video. Está en todas partes.
Uno de los primeros contactos que tuvimos con el mundo digital fue con la música y en ese entonces los puristas decían que se perdía calidad. ¿Qué tan cierto es esto y, si realmente se pierde algo, ¿esta pérdida se compensa con lo que se gana mediante la digitalización?
Se pierde cierta información porque, como te comenté, el mundo analógico es continuo mientras que el mundo digital es un conjunto de fotos en un momento particular del tiempo. Entre foto y foto uno asume que la señal analógica original tiene una forma dada, pero no necesariamente es así, puede ser que se pierdan ciertos detalles de la señal, cierta información que se encuentra entre estas dos fotos.
Solo el hecho de muestrear la señal hace que se pierda información, y eso sucede porque uno está cuantizando la señal y hay toda un área de las matemáticas en general que se llama La Teoría de la Información, que se dedica a cuantificar el efecto de la digitalización; es decir, cuánta información uno pierde cuando convierte algo de analógico a digital.
Es cierto, en el mundo de la música hay personas que prefieren lo analógico, los que tienen el oído entrenado pueden darse cuenta.
Pero sí conviene, hay muchas ventajas al convertir la señal a digital que superan las desventajas de perder un poco de información. Por ejemplo, una señal analógica no se puede comprimir. De una señal analógica es mucho más difícil extraer información, porque con una señal digital puedes usar computadoras y operaciones matemáticas. Si quieres manipular la señal digital para mejorar su contenido, para extraer información o para estudiar algunas de las características de la señal, tienes que hacerla digital.
¿Lo digital es eterno?
Lo que habría que evaluar es si el medio donde se encuentra almacenada la información es eterno, eso es lo que habría que averiguar. Lo que sí es cierto es que los medios que teníamos para almacenar información análoga son menos confiables que los que tenemos para guardar la información digital. Por ejemplo, los antiguos cassettes que teníamos duraban menos y eran menos confiables que la memoria que se encuentra en una grabadora moderna o un disco duro.
Y el otro aspecto es que cuando la información está en forma digital la puedes poner en cualquier parte, tal como está la sociedad ahora se puede almacenar en cualquier lado, en la nube. La información se convierte en algo más ubicuo.
¿Se ha avanzado en la forma de digitalizar y se pierda menos?
Se ha avanzado significativamente y se sigue avanzando. Sin embargo, lograr mejores fidelidades termina siendo muy caro para el oído experto que puede diferenciar entre una calidad y otra. Por eso los equipos profesionales cuestan mucho más que un equipo para casa, porque son capaces de muestrear la señal de una forma más precisa.
Un dispositivo que se usa para muestrear se llama conversor análogo-digital y las características que uno busca en él es cuán grande es el ancho de banda que puede muestrear y con cuanta precisión. Uno puede encontrar uno de estos por 50 dólares, pero los que se usan para aplicaciones científicas pueden costar desde cinco mil dólares hasta 15 mil dólares, y además no lo puedes usar en un lugar común, tienes que usarlo a temperaturas muy bajas.
Entonces sí existen mejores equipos pero el costo beneficio es de considerar.
Ya pasando a la parte académica ¿hay mucha diferencia entre lo que se enseña y sabe en el exterior y lo que se hace aquí en el Perú?
Yo hice mi pregrado en la PUCP y mi doctorado en Estados Unidos, creo que a nivel de pregrado nuestras universidades todavía se encuentran a la par y diría incluso que son más exigentes que en Estados Unidos. Sin embargo, a nivel de posgrado el tema cambia radicalmente. El nivel de matemáticas que uno tiene que hacer es definitivamente mucho mayor, hay mucho más conocimiento que es transmitido.
Pero si nos enfocamos en las aplicaciones, podremos ver que alguien que se especializa en procesamiento digital de señales en el Perú ¿a dónde va a trabajar? Hay muy pocos lugares en el Perú donde se crea tecnología, nosotros usamos y compramos software y hardware. No hay una empresa que se dedique a diseñar un producto que se pueda usar en el mercado local y que se venda afuera y que involucre tecnología. En el mejor de los casos armamos.
En países como los Estados Unidos si hay un mercado, porque las empresas vienen y te dicen tengo este problema, necesito que lo resuelvas. Y la única manera de hacerlo es usando matemáticas y el procesamiento digital de señales.
¿Y para estudiar procesamiento digital de señales que debe ser uno?
Para todo uno debe ser muy curioso pero para DSP uno tiene que tener cierto background en matemáticas -no necesariamente ser matemático- y tener la guía correcta.
DSP tiene una particularidad que me gusta: las matemáticas no se quedan simplemente como matemáticas, sino que sirven para explicar fenómenos y ver los resultados. No es algo abstracto.
Y el curso que dictamos tiene otro aspecto que es tan o más importante que el DSP que es el uso de FPGA. Éstos son conocidos como Dispositivos Lógicos Programables. Esta tecnología comenzó en los años 80 pero en los últimos 10 años ha cobrado fuerza.
¿Cuál es la ventaja de estos dispositivos? Cuando compras una computadora tiene un chip adentro, este procesador es fijo; es decir, lo que se construyó en ese procesador no se puede cambiar, ese procesador hace unas funciones. Esa es la forma en que siempre se han hecho las cosas y estos procesadores se les ha conocido como Application-Specific Integrated Circuit (ASIC).
En los años 80 apareció la idea de no hacer algo que sea específico, sino algo que se pueda programar, que tenga elementos para procesar señales digitales, y que cuando el usuario reciba este chip en blanco pueda programarlo para que ejecute una operación.
La ventaja de esto es que compras este chip y te viene en blanco y puedes desarrollar una aplicación para este dispositivo en mucho menos tiempo (meses) y que puede competir en términos de desempeño con los ASIC.
Al principio eran muy pequeños, no hay mucho que pudieras poner en ellos, pero los de ahora son muy grandes y puedes poner una computadora en uno de ellos sin ningún problema.
Estos dispositivos crean una oportunidad en países como los nuestros, porque uno puede crear tecnología muy eficiente y barata sin tener que comprar toda la infraestructura tecnológica que se requiere para hacer un ASIC. Nuestros ingenieros pueden hacerlo con la dirección adecuada, y por eso estoy aquí, estoy tratando de dar lo básico necesario para que las personas comiencen a crear.
Los FPGA han creado un mercado nuevo, hay mucha gente en todo el mundo que solo se dedican a crear código para que vaya en los FPGA y nuestros ingenieros pueden hacer lo mismo.
En las clases que damos enseñamos a usar estos dispositivos para implementar funciones de procesamiento digital de señales, por ejemplo, filtros, procesamiento de imágenes.
Entonces, ¿cuál diría que es la mayor ventaja frente a un procesador específico?
Un procesador específico está diseñado para hacer de todo, como viene en una computadora no se sabe en qué se va a usar. Entonces le ponen funciones para que puedan hacer de todo un poco. Cuando usas un FPGA lo puedes programar para que haga una cosa muy específica y solo eso. Entonces como se especializa puede hacer las cosas mejor, porque todos los recursos están dedicados a una sola actividad.
El ASIC tiene una unidad aritmético-lógica que hace las operaciones matemáticas. Para una aplicación de DSP uno tiene que hacer muchas operaciones y por ello en lugar de tener una sola unidad aritmético-lógica junto a muchas otras cosas más, podrías tener 10 unidades en un FPGA, y en lugar de hacer las cosas en forma secuencial (una luego de la otra) puedes hacer las cosas en forma paralela, mucho más rápido, porque está especializado en lo que necesitas.
Otra de las principales ventajas es lo que se conoce como el time to market, con el FPGA esto es meses, con un ASIC puede ser años.
Además, son muy flexibles, son reprogramables, es decir, puedes hacer un upgrade y lo reprogramas, cambias el hardware para que haga una función diferente, sin tener que deshacerse del viejo y comprar uno nuevo, como tienes que hacerlo con los ASIC.
¿Qué organizaciones fabrican estos FPGA?
Hay varias pero hay dos que son las más grandes: Xilinx y Altera. Y de hecho las que uso en mis clases es Xilinx.
Jose Antonio Trujillo, CIO Perú