Hvorfor bruge en FPGA-SoM til FPGA-systemdesign?

Efterspørgslen efter feltprogrammerbare-gatearrays (FPGA'er) stiger med udvidelsen af anvendelser, som datacentre, højtydende computere, medicinsk billedbehandling, præcise layoutspor, specialiserede PCB-materialer, formfaktorbegrænsninger og termisk styring. Tidligere valgte hardwaredesignere en "chip-ned"-arkitektur, hvor de valgte specifikke siliciumenheder og udviklede et fuldt tilpasset printkort til anvendelsen. Selv om denne tilgang resulterer i en stærkt optimeret implementering, kræver den betydelige udviklingstid og omkostninger for at nå frem til produktionparathed. For at spare tid og penge overvejer designteams nu mere integrerede løsninger som multi-chip-moduler (MCM), system-i-pakker (SiP), enkeltkort-computere (Single Board Computers/SBC'er) eller systemer-på-moduler (System-on-Modules/SoM).

FPGA-SoM-markedet vokser hurtigt, hvilket gør det muligt for en bredere vifte af brugere at anvende FPGA-baserede platforme. Disse SoM'er bruges i vid udstrækning i forskellige anvendelser på grund af deres tilpasningsdygtige arkitektur og brugervenlige design.

Oversigt over FPGA-system-på-modul

En FPGA-SoM er et kompakt beregningsmodul, der er designet til at blive integreret i større systemer, i modsætning til enkeltstående enkeltkortscomputere. Den inkluderer vigtige komponenter som højhastigheds-DDR-hukommelse, flash-lagring, strømstyring, fælles grænseflade-controllere og software til printkortunderstøttelsespakke (board support package/BSP) sammen med understøttelse af højhastigheds-transceiverblokke og flere kommunikationsprotokoller som Ethernet, USB og PCIe.

SoM-tilgangen giver betydelige fordele ved at tilbyde et færdigbygget, præ-testet modul med centrale computerdele og software, hvilket nedsætter udviklingstiden, reducerer omkostningerne og forenkler komponentindkøb. Det giver F&U-teams mulighed for at fokusere på deres virksomheds specifikke behov, hvilket fører til mere forudsigelige designcyklusser og bedre forretningsresultater. Derudover tilbyder SoM'er skalerbarhed og fleksibilitet, hvilket gør det nemt at opgradere eller modificere komponenter uden at revidere hele systemet. Ved at udnytte SoM'er kan virksomheder bringe produkter på markedet hurtigere, mindske risikoen for designfejl og forbedre den samlede effektivitet, hvilket gør det til en attraktiv løsning til forskellige avancerede anvendelser.

Tid-til-markedet

En SoM-baseret tilgang reducerer udviklingstiden betydeligt, hvilket giver mulighed for hurtigere tid-til-markedet. Da SoM'er er præ-testet og kvalificeret af producenter som iWave, kan designere integrere disse moduler i deres produkter hurtigere og med færre fejl. Denne prævalidering sikrer, at modulerne opfylder høje standarder for pålidelighed og ydeevne, hvilket eliminerer behovet for omfattende intern testning og fejlfinding. Ved at udnytte SoM'er kan virksomheder strømline deres udviklingscyklusser og reducere den tid og de ressourcer, der bruges på design- og valideringsprocesser (figur 1). Det gør det muligt for dem at fokusere på deres unikke værditilbud og kernekompetencer i stedet for at blive kørt fast af systemintegrationens kompleksitet. SoM's modulære natur giver også fleksibilitet i designprocessen, så der kan foretages ændringer og justeringer selv i de senere udviklingsfaser uden væsentlig omarbejdning.

Figur 1: Brugen af SoM'er kan reducere designtiden betydeligt, hvilket resulterer i en hurtigere tid-til-markedet. (Billedkilde: iWave)

Udviklingsomkostninger og kompleksitet

Brugen af en produktionsklar og kvalificeret SoM reduceres kompleksiteten i FPGA-systemdesign betydeligt. Ved at integrere prætestede SoM'er i produktudviklingen mindsker virksomhederne de risici, der er forbundet med fejl i hardwaredesignet og kompatibilitetsproblemer. Denne tilgang reducerer ikke alene tid-til-markedet, men også de samlede udviklings- og kvalificeringsomkostninger. SoM'er gennemgår rigoristiske testordninger, herunder stringente tests af elektromagnetisk kompatibilitet (electromagnetic compatibility/EMC) og forskellige miljømæssige stresstests som f.eks. termisk cykling og ældning. Disse tests sikrer, at modulerne kan modstå krævende driftsforhold og samtidig opretholde en pålidelig ydeevne, hvilket minimerer behovet for en omfattende intern test- og valideringsindsats.

Produktmodularitet og skalerbarhed

En af de primære fordele ved at anvende en SoM-baseret tilgang til FPGA system-på-chip-løsninger (System-on-Chip/SoC) er forbedret modularitet og skalerbarhed. SoM'er er designet til at understøtte en bred vifte af FPGA-logiktætheder, I/O-konfigurationer og transceiverfunktioner. Denne fleksibilitet gør det muligt for produktdesignere at vælge en passende SoM, der passer til deres specifikke anvendelseskrav, uden at skulle redesigne hele hardwarearkitekturen. For eksempel kan en arkitektur med et enkelt bærerkort rumme forskellige SoM-konfigurationer lige fra mindre FPGA'er med grundlæggende funktioner til større, mere komplekse FPGA'er med avancerede bearbejdningsmuligheder. Denne modularitet fremmer gnidningsfri skalerbarhed og fremtidssikring af design, hvilket muliggør nemme opgraderinger til nyere FPGA-generationer eller yderligere funktionaliteter, efterhånden som markedets krav udvikler sig.

Figur 2: En FPGA-SoC giver forbedret modularitet og skalerbarhed. (Billedkilde: iWave)

Styring af forsyningskæde og produktlivscyklus

Styring af forsyningskæden for FPGA-baserede systemer indebærer koordinering af en lang række komponenter fra forskellige leverandører. En SoM-centreret tilgang forenkler denne kompleksitet ved at samle ansvaret for indkøb og styring af forsyningskæden hos SoM-leverandørerne, som f.eks. iWave. Disse forhandlere opretholder strategiske relationer med leverandører af nøglekomponenter og anvender proaktive prognoseteknikker for at sikre komponenternes konsistente tilgængelighed og konkurrencedygtige priser. Denne proaktive styring reducerer leveringstider, minimerer indkøbsrisici og optimerer lagerstyringen, hvilket i sidste ende bidrager til omkostningsbesparelser og driftseffektivitet for virksomhederne.

Figur 3: En SoM-centreret tilgang simplificerer kompleksiteten ved at konsolidere ansvaret for indkøb og styring af forsyningskæden. (Billedkilde: iWave)

Effektiv produktlivscyklusstyring (product lifecycle management/PLM) er afgørende for at opretholde levetiden og konkurrenceevnen for FPGA-baserede produkter. SoM-leverandører spiller en afgørende rolle i dette aspekt ved løbende at overvåge forældelse af komponenter og markedstendenser. De opdaterer proaktivt SoM-designs og softwarepakker for at indarbejde nye funktioner, forbedringer og sikkerhedsopdateringer. Denne proaktive tilgang mindsker de risici, der er forbundet med End-of-Life- (EOL) meddelelser for komponenter, sikrer problemfri produktkontinuitet og minimerer driftsforstyrrelser hos kunderne. Ved at overlade PLM-ansvaret til SoM-leverandører kan virksomheder fokusere deres interne ressourcer på innovation og kernekompetencer i stedet for på at styre forsyningskædens dynamik og afbøde risici i produktets livscyklus.

Fordele for softwareudviklere

Softwareudvikling til FPGA-baserede systemer kan strømlines og fremskyndes ved hjælp af SoM'er. Disse moduler er udstyret med prævaliderede printkortunderstøttelsespakker (BSP'er) og referencedesigns, som giver et stabilt og standardiseret softwareudviklingsmiljø. Udviklere kan udnytte disse ressourcer til at fremskynde udviklingen af applikationssoftware uden at skulle tilpasse softwaren til forskellige hardwarekonfigurationer. Denne tilgang reducerer ikke alene udviklingscyklusserne, men forbedrer også softwarens pålidelighed og kompatibilitet, så udviklerne kan fokusere på at optimere applikationens ydeevne og funktionalitet.

iWave tilbyder en mangfoldig og omfattende SoM-portefølje i samarbejde med førende FPGA-leverandører som AMD, Altera og Achronix. Dette partnerskab giver iWave tidlig adgang til banebrydende FPGA-teknologier, så de kan udvikle en bred vifte af SoM'er og kommercielle hyldevare-moduler (Commercial off-the-shelf/COTS), der er skræddersyet til forskellige anvendelsesbehov. Under AMD's Zynq UltraScale+-serie tilbyder iWave for eksempel flere muligheder som iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M og iW-RainboW-G47M, som hver især tilbyder forskellige konfigurationer, der passer til forskellige krav til ydeevne. På samme måde tilbyder iWave sammen med Altera og Achronix SoM'er, som iW-RainboW-G58M Agilex 5-SoC-FPGA og iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM, hvilket viser deres evne til at servicere forskellige FPGA-platforme.

Konklusion

Ud over deres SoM-portefølje støtter iWave kunderne med en række FPGA-designtjenester, herunder bærer-kort-design, FPGA-IP-udvikling, portering, tilpasning, Linux- og printkortunderstøttelsespakker- (BSP) portering, certificeringer og mekaniske design. Siden starten i 1999 har iWave specialiseret sig i ingeniørarbejde med indlejrede systemer og betjener brancher som industri, medicinal, automotiv og flyelektronik. Deres omfattende ekspertise inden for FPGA- og SoC-FPGA-teknologier giver dem mulighed for at levere robuste løsninger, der opfylder strenge industristandarder og muliggør problemfri produktudvikling for deres globale kundekreds.