Proč používat programovatelná hradlové pole (FPGA) v systémech na čipu (SoC) pro návrhy systémů FPGA?

Poptávka po programovatelných hradlových polích (FPGA) roste s expanzí aplikací, jako jsou datová centra, vysoce výkonné počítače, lékařské zobrazování, přesné vodivé cesty na obvodových deskách, specializované materiály desek plošných spojů (PCB), omezení tvarového faktoru a regulace tepla. Dříve se konstruktéři hardwaru rozhodovali pro architekturu typu „chip-down“ výběrem konkrétních křemíkových součástek a vývojem plně přizpůsobené obvodové desky pro danou aplikaci. Ačkoli tato koncepce vede k vysoce optimalizované implementaci, vyžaduje značný čas a náklady na vývoj, aby bylo dosaženo připravenosti na výrobu. Aby ušetřily čas a náklady, týmy konstruktérů nyní zohledňují řešení s vyššími stupni integrace, jako jsou vícečipové moduly (MCM), systémy v pouzdru (SiP), jednodeskové počítače (SBC) nebo systémy na modulech (SoM).

Trh s programovatelnými hradlovými poli (FPGA) v systému na čipu (SoC) se rychle rozrůstá a umožňuje širšímu okruhu uživatelů osvojit si platformy založené na FPGA. Díky přizpůsobivé architektuře a uživatelsky přívětivé konstrukci jsou tyto systémy SoM jsou široce využívány v různých aplikacích.

Přehled systémů FPGA na modulu

Na rozdíl od samostatných jednodeskových počítačů je programovatelné hradlové pole (FPGA) v systému na čipu (SoC) kompaktní výpočetní modul navržený pro integraci do větších systémů. Zahrnuje základní součásti, jako jsou vysokorychlostní paměť DDR, flash úložiště, řízení spotřeby energie, společné řadiče rozhraní a balíček BSP (Board Support Package) společně s podporou vysokorychlostních bloků transceiveru a více komunikačních protokolů, jako jsou Ethernet, USB a PCIe.

Koncepce systému SoM poskytuje významné výhody díky nabídce předem sestaveného a testovaného modulu se základními výpočetními prvky a softwarem, který urychluje dobu vývoje, snižuje náklady a zjednodušuje získávání součástí. Tot řešení umožňuje týmům výzkumu a vývoje zaměřit se na specifické potřeby jejich společnosti, což vede k předvídatelnějším cyklům návrhu a k lepším obchodním výsledkům. Systémy SoM dále nabízejí škálovatelnost a flexibilitu, což usnadňuje upgrady nebo úpravy součástí bez nutnosti přepracování celého systému. Využitím systémů SoM mohou společnosti uvádět produkty na trh rychleji, snížit riziko chyb v návrhu a zlepšit celkovou efektivitu, čímž se tyto systémy stávají atraktivními řešeními pro různé pokročilé aplikace.

Čas uvedení na trh

Koncepce založená na systému SoM výrazně zkracuje dobu vývoje a umožňuje rychlejší uvedení na trh. Vzhledem k tomu, že systémy SoM jsou předem testovány a kvalifikovány různými výrobci, například společností iWave, mohou konstruktéři tyto moduly integrovat do svých produktů rychleji a s menší četností chyb. Toto předběžné ověřování zajišťuje, že moduly splňují vysoké standardy spolehlivosti a výkonu, čímž odpadá potřeba rozsáhlého interního testování a odstraňování problémů. Využitím systémů SoM mohou společnosti zefektivnit své vývojové cykly a snížit čas a prostředky vynaložené na procesy návrhu a ověřování (obrázek 1). Toto řešení jim umožňuje zaměřovat se na své jedinečné hodnotové principy a klíčové kompetence a neuváznout ve složitostech systémové integrace. Modulární povaha systémů SoM dále poskytuje flexibilitu procesu návrhu, což umožňuje změny a úpravy i v pozdějších fázích vývoje bez výrazného přepracování.

Obrázek 1: používání systémů SoM může výrazně zkrátit dobu návrhu, což se projeví v rychlejším uvedení na trh. (Zdroj obrázku: společnost iWave)

Náklady na vývoj a složitost

Využití kvalifikovaného systému SoM připraveného na produkci výrazně snižuje složitost návrhu systému FPGA. Integrací předem otestovaných systémů SoM do vývoje produktů společnosti zmírňují rizika spojená s chybami návrhu hardwaru a problémy s kompatibilitou. Tento přístup nejen zrychluje dobu uvedení na trh, ale také snižuje celkové náklady na vývoj a kvalifikaci. Systémy SoM procházejí přísnými testovacími procedurami, včetně náročných testů elektromagnetické kompatibility (EMC) a různých zátěžových testů prostředí, jako jsou tepelné cykly a stárnutí. Tyto testy zajišťují, že moduly budou odolávat náročným provozním podmínkám při zachování spolehlivého výkonu, čímž se minimalizuje potřeba rozsáhlého interního testování a ověřování.

Modularita a škálovatelnost produktu

Jednou z hlavních výhod přijetí koncepce založené na systému SoM pro řešení s programovatelnými hradlovými poli (FPGA) v systémech na čipu (SoC) je vylepšená modularita a škálovatelnost. Systémy SoM jsou navržené tak, aby podporovaly širokou škálu logických hustot FPGA, I/O konfigurací a funkcí transceiveru. Tato flexibilita umožňuje konstruktérům produktů vybrat vhodný systém SoM odpovídající konkrétním požadavkům jejich aplikací bez nutnosti přepracování celé hardwarové architektury. Například architektura s jednou nosnou deskou je schopná se přizpůsobit různým konfiguracím systému SoM od menších polí FPGA se základními funkcemi až po větší, složitější pole FPGA s pokročilými schopnostmi zpracování. Tato modularita usnadňuje hladkou škálovatelnost a připravenost návrhů na budoucnost, což umožňuje snadné upgrady na novější generace polí FPGA nebo další funkce podle vývoje požadavků trhu.

Obrázek 2: programovatelné hradlové pole (FPGA) v systému na čipu (SoC) poskytuje vylepšenou modularitu a škálovatelnost. (Zdroj obrázku: iWave)

Správa dodavatelského řetězce a životního cyklu produktu

Správa dodavatelského řetězce pro systémy založené na polích FPGA zahrnuje koordinaci velkého množství součástí pocházejících od různých dodavatelů. Koncepce založená na systémech SoM tuto složitost zjednodušuje tím, že konsoliduje odpovědnost za nákup a správu dodavatelského řetězce s prodejci systémů SoM, jako je společnost iWave. Tito prodejci udržují strategické vztahy s klíčovými dodavateli součástí a využívají proaktivní metody předpovědi k zajištění trvalé dostupnosti dodávek a konkurenceschopných cen. Tato proaktivní správa zkracuje dodací lhůty, minimalizuje rizika nákupu a optimalizuje správu zásob, což v konečném důsledku přispívá k úspoře nákladů a provozní efektivitě společností.

Obrázek 3: koncepce založená na systémech SoM snižuje složitost konsolidací odpovědností za nákup a správu dodavatelského řetězce. (Zdroj obrázku: iWave)

Účinná správa životního cyklu produktu (PLM) má zásadní význam pro udržení životnosti a konkurenceschopnosti produktů založených na polích FPGA. Prodejci systémů SoM hrají v tomto ohledu klíčovou roli tím, že neustále sledují zastaralost součástí a trendy na trhu. Proaktivně aktualizují návrhy systémů SoM a softwarové balíčky tak, aby zahrnovaly nové funkce, vylepšení a bezpečnostní záplaty. Tento proaktivní přístup zmírňuje rizika spojená s oznámeními o stavu konce životnosti (EOL) součástí, zajišťuje plynulou kontinuitu produktů a minimalizuje narušení zákaznických operací. Svěřením odpovědnosti za správu životního cyklu produktů (PLM) prodejcům systémů SoM mohou společnosti namísto správy dynamiky dodavatelského řetězce a zmírňování rizik životního cyklu výrobku zaměřit své interní zdroje na inovace a klíčové kompetence.

Výhody pro vývojáře softwaru

Vývoj softwaru pro systémy založené na polích FPGA lze zefektivnit a urychlit pomocí systémů SoM. Tyto moduly jsou vybaveny předem ověřenými balíčky podpory desek (BSP) a referenčními návrhy, které poskytují stabilní a standardizované vývojové prostředí softwaru. Vývojáři mohou tyto prostředky využívat k urychlení vývoje aplikačního softwaru bez složitých přizpůsobování softwaru různým hardwarovým konfiguracím. Tato koncepce nejen zkracuje vývojové cykly, ale také zvyšuje spolehlivost a kompatibilitu softwaru, což vývojářům dovoluje soustředit se na optimalizaci výkonu a funkčnosti aplikací.

Společnost iWave nabízí rozmanité a kompletní portfolio systémů SoM ve spolupráci s předními výrobci polí FPGA, jako jsou společnosti AMD, Altera a Achronix. Toto partnerství poskytuje společnosti iWave včasný přístup k nejmodernějším technologiím polí FPGA, které umožňují vývoj široké škály systémů SoM a komerčně dostupných (COTS) modulů přizpůsobených na míru potřebám různých aplikací. Například z řady Zynq UltraScale+ od výrobce AMD nabízí společnost iWave několik možností, jako jsou systémy iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M a iW-RainboW-G47M, z nichž každý nabízí různé konfigurace vhodné pro různé výkonové požadavky. Podobně nabízí společnost iWave systémy SoM od výrobců Altera a Achronix, jako jsou iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA a iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM, čímž demonstruje schopnost vyhovět různým platformám polí FPGA.

Závěr

Kromě portfolia systémů SoM podporuje společnost iWave zákazníky řadou služeb návrhu polí FPGA včetně návrhu nosných desek, vývoje FPGA IP, portování, přizpůsobování, portování Linuxu a balíčků BSP (Board Support Package), certifikací a mechanických návrhů. Od svého založení v roce 1999 se společnost iWave specializuje na techniku vestavěných systémů sloužících různým oborům, jako je průmysl, lékařství, výroba automobilů a letectví. Rozsáhlé odborné znalosti v oblasti technologií FPGA a SoC FPGA dovolují společnosti poskytovat robustní řešení splňující přísné průmyslové standardy a umožňující hladký vývoj produktů pro globální klientelu.