Az FPGA egykártyás rendszermodulok FPGA-ra épülő készülékekben való használatának előnyei

Ahogy egyre több eszközre van szükség az olyan felhasználási területeken, mint az adatközpontok, a nagy teljesítményű számítógépek, az orvosi képalkotás, a pontosan megrajzolt vezetőcsíkok, a speciális nyomtatottáramkör-anyagok, valamint egyre fontosabbak a méretkorlátok és a hűtés, egyre nő az FPGA-k (helyben programozható logikai kapumátrix, field programmable gate array) iránti kereslet. Korábban a hardvertervezők inkább a nulláról összeállított („chip down”) felépítésre szavaztak, kiválasztva bizonyos szilíciumeszközöket, és teljesen testreszabott áramköri lapot fejlesztve ki az adott készülékhez. Bár ez a módszer rendkívül jól optimalizált megvalósítást eredményez, a gyártásra kész állapot elérése jelentős fejlesztési időt és költséget igényel. Az idő- és költségmegtakarítás érdekében a tervezőcsapatok ma már inkább egy integrált áramkörben vagy egy kártyán összeépített megoldásokat igyekeznek használni, amilyenek például a többlapkás modulok (MCM, Multi-Chip Module), az egy tokba épített rendszerek (SiP, System-in-Package), az egykártyás számítógépek (SBC, Single-Board Computer) és az egykártyás rendszermodulok (SoM, System-on-Module).

Az FPGA egykártyás rendszermodulok piaca gyorsan bővül, a felhasználók szélesebb körének téve lehetővé, hogy FPGA-alapú platformokat használjanak. Ezeket az egykártyás rendszermodulokat a feladathoz igazítható felépítésük és felhasználóbarát kialakításuk miatt széles körben használják különböző felhasználási területeken.

Az FPGA egykártyás rendszermodulok áttekintése

Az FPGA egykártyás rendszermodulok kis méretű számítási modulok, amelyeket úgy terveztek, hogy be lehessen őket illeszteni nagyobb rendszerekbe, ellentétben az önálló egykártyás számítógépekkel. Olyan főbb alkatrészeket és szolgáltatásokat tartalmaznak, mint a nagy sebességű DDR-memóriák, a flashmemóriák, az energiagazdálkodás, az elterjedtebb illesztőfelület-vezérlők és a kártyatámogató csomag (BSP, board support package) szoftverek, valamint a nagy sebességű adó-vevő blokkok és több kommunikációs protokoll, például az Ethernet, az USB és a PCIe támogatása.

Az egykártyás rendszermodulos megközelítés jelentős előnyöket kínál azáltal, hogy egy előre elkészített és előzetesen tesztelt, központi számításvégző alkatrészekkel és szoftverrel ellátott modult kínál, lerövidítve a fejlesztési időt, csökkentve a költségeket, és egyszerűsítve az alkatrészek beszerzését. Ez lehetővé teszi a kutató-fejlesztő csapatok számára, hogy a vállalat egyedi igényeire összpontosítsanak, ami kiszámíthatóbb tervezési ciklusokhoz és jobb üzleti eredményekhez vezet. Emellett az egykártyás rendszermodulok méretezhetőséget és rugalmasságot kínálnak, így az összetevők frissítése vagy módosítása könnyen, az egész rendszer felújítása nélkül végezhető el. Az egykártyás rendszermodulok használatával a vállalatok gyorsabban hozhatják forgalomba a termékeiket, csökkenthetik a tervezési hibák kockázatát, és javíthatják az általános hatásfokot, ami vonzóvá teszi ezt a megoldást a különböző fejlett berendezések tervezőinek szemében.

Piacra kerülési idő

Az egykártyás rendszermodul alapú megközelítés jelentősen csökkenti a fejlesztési időt, ami gyorsabb piacra jutást tesz lehetővé. Mivel az olyan gyártók, mint az iWave, előre tesztelik és minősítik az egykártyás rendszermoduljaikat, a tervezők gyorsabban és kevesebb hibával illeszthetik be ezeket a modulokat a termékeikbe. Ez az előzetes minőség-ellenőrzés szavatolja, hogy a modulok megfelelnek a megbízhatóság és a teljesítmény megkövetelte magas színvonalnak, így nincs szükség kiterjedt házon belüli tesztelésre és hibakeresésre. Az egykártyás rendszermodulok használatával a vállalatok észszerűsíthetik a fejlesztési ciklusaikat, csökkentve a tervezési és minőség-ellenőrzési folyamatokra fordított időt és erőforrásokat (1. ábra). Ez lehetővé teszi számukra, hogy a rendszer-összeépítés bonyolultsága helyett inkább egyedi értékkínálatukra és elsődleges szakterületeikre összpontosítsanak. Az egykártyás rendszermodulok modulrendszerű jellege rugalmasságot kínál a tervezési folyamat során is, lehetővé téve a módosításokat és kiigazításokat még a fejlesztés későbbi szakaszaiban is anélkül, jelentősebb mértékben kellene korábban már elvégzett munkákat újra elvégezni.

1. ábra: Az egykártyás rendszermodulok használata jelentősen csökkentheti a tervezési időt, ami gyorsabb piacra kerülést eredményezhet (ábra: iWave)

Fejlesztési költségek és bonyolultság

A gyártásra kész és minősített egykártyás rendszermodulok használata jelentősen csökkenti az FPGA-s rendszerek tervezésének bonyolultságát. A vállalatok azzal, hogy előre tesztelt egykártyás rendszermodulokat használnak a termékfejlesztés során, csökkentik a hardvertervezési hibák és a kompatibilitási problémák kockázatát. Ez a megközelítés nemcsak a piacra kerülési időt rövidíti le, hanem az általános fejlesztési és minősítési költségeket is csökkenti. Az egykártyás rendszermodulokat szigorú teszteléseknek vetik alá, beleértve a szigorú elektromágneses összeférhetőségi (EMC) teszteket és különböző környezeti tűrőképességi teszteket, amilyen például a hőciklusok és az öregedés tesztelése. Ezek a tesztek garantálják, hogy a modulok megbízható teljesítményük megőrzése mellett elviselik a zord üzemi körülményeket, minimálisra csökkentve ezzel a kiterjedt házon belüli tesztelési és minőség-ellenőrzési munkák szükségességét.

A termék modulrendszerű felépítése és méretezhetősége

Az FPGA egylapkás rendszerek (FPGA SoC) esetében az egykártyás rendszermodul alapú megközelítés használatának egyik fő előnye a nagyobb mértékben modulrendszerű felépítés és a jobb méretezhetőség. Az egykártyás rendszermodulokat úgy tervezték, hogy az FPGA logikai sűrűségek, a be- és kimeneti összeállítások és az adó-vevő képességek széles skáláját támogassák. Ez a rugalmasság lehetővé teszi a terméktervezők számára, hogy a teljes hardverarchitektúra újratervezése nélkül válasszák ki azt a megfelelő egykártyás rendszermodult, amely megfelel az adott készülék támasztotta követelményeknek. Egyetlen hordozókártyán például több különböző egykártyás rendszermodul is elhelyezhető, a kisebb, csak alapszintű funkciókra képes FPGA-któl a nagyobb, összetettebb, fejlett feldolgozási képességű FPGA-kig. Ez a modulrendszerű felépítés megkönnyíti a problémamentes méretezhetőséget és a készülékek időtállóságának megteremtését, lehetővé téve az újabb FPGA-generációkra való egyszerű továbbfejlesztést vagy további funkciók egyszerű hozzáadását, ahogy a piaci igények változnak.

2. ábra: Az FPGA egylapkás rendszerek nagyobb mértékben modulrendszerű felépítést és a jobb méretezhetőséget kínálnak (kép: iWave)

Az ellátási lánc megszervezése és a termékéletciklus kezelése

Az FPGA-alapú rendszerek ellátási láncának megszervezése magában foglalja a különböző beszállítóktól származó alkatrészek sokaságának összehangolását. Az egykártyás rendszermodulokra építő megközelítés úgy egyszerűsíti ezt tevékenységet, hogy a beszerzés és az ellátási lánc ügyviteli feladatait az egykártyás rendszermodulok gyártóira, például az iWave cégre bízza. Ezek a gyártók stratégiai kapcsolatokat tartanak fenn a kulcsfontosságú alkatrész-beszállítókkal, és előre tervező eljárásokat használnak a folyamatos kínálat és a versenyképes árképzés biztosítása érdekében. Ez az előre tervező ügyvitel csökkenti az átfutási időt, minimalizálja a beszerzési kockázatokat és optimalizálja a készletgazdálkodást, ami végső soron hozzájárul a vállalatok költségmegtakarításához és működési hatékonyságához.

3. ábra: Az egykártyás rendszermodulokra építő megközelítés a beszerzés és az ellátási lánc ügyviteli feladatainak összevonásával egyszerűsíti a tevékenységet (ábra: iWave)

Az FPGA-alapú termékek hosszú élettartamának és versenyképességének fenntartásához kulcsfontosságú a hatékony termékéletciklus-kezelés (PLM, product lifecycle management). Az egykártyás rendszermodulok gyártói kulcsszerepet játszanak ebben azzal, hogy folyamatosan figyelemmel kísérik az alkatrészek elavulását és a piaci trendeket. Az új funkciók, fejlesztések és biztonsági javítások beépítése érdekében előre gondolkodva frissítik az egykártyás rendszermodulok terveit és az ezekhez a modulokhoz tartozó szoftvercsomagokat. Ez az előre tervező megközelítés csökkenti az alkatrészek élettartamának végére (EOL, End-of-Life) vonatkozó bejelentésekkel kapcsolatos kockázatokat, garantálva a problémamentes termékfolytonosságot, és minimálisra csökkentve az ügyfelek tevékenységében bekövetkező zavarokat. Azzal, hogy a termékéletciklus-kezelési feladatok az egykártyás rendszermodulok gyártóira vannak bízva, a vállalatok belső erőforrásaikat az újításokra és fő szakterületeikre összpontosíthatják, nem kell az ellátási lánc dinamikájának kezelésével és a termékéletciklus-kockázatok mérséklésével foglalkozniuk.

Előnyök a szoftverfejlesztők számára

Az egykártyás rendszermodulok használatával egyszerűsíthető és felgyorsítható az FPGA-alapú rendszerek szoftverfejlesztése. Ezekhez a modulokhoz előre hitelesített kártyatámogató csomagok és referenciatervek vannak mellékelve, amelyek stabil és szabványos szoftverfejlesztési környezetet kínálnak. A fejlesztők felhasználhatják ezeket az erőforrásokat arra, hogy anélkül gyorsítsák fel az alkalmazásszoftverek fejlesztését, hogy bonyolult lenne a szoftverek különböző hardver-összeállításokhoz igazítása. Ez a megközelítés nemcsak a fejlesztési ciklusokat csökkenti, hanem a szoftverek megbízhatóságát és kompatibilitását is növeli, lehetővé téve a fejlesztők számára, hogy a készülék teljesítményének és funkcióinak optimalizálására összpontosítsanak.

Az iWave az egykártyás rendszermodulok változatos és átfogó termékválasztékát kínálja, együttműködve az olyan vezető FPGA-gyártókkal, mint az AMD, az Altera és az Achronix. Ez a partnerség az iWave számára korai hozzáférést biztosít a legújabb FPGA-technikákhoz, lehetővé téve, hogy a különböző felhasználási területek igényeire szabott egykártyás rendszermodulok és a kereskedelemben használatra készen kapható (COTS, Commercial off-the-shelf) modulok széles választékát fejlesszék ki. Például az iWave termékválasztékban az AMD Zynq UltraScale+ sorozatára épülő többféle eszköz is szerepel, ilyen például az iW-RainboW-G35M, az iW-RainboW-G30M és az iW-RainboW-G47M jelű egykártyás rendszermodul, amelyek mindegyike különböző teljesítményigényekhez megfelelő felépítésű. Ehhez hasonlóan az iWave az Alterával és az Achronixszal együttműködve is kínál olyan egykártyás rendszermodulokat, mint az iW-RainboW-G58M Agilex 5 FPGA egylapkás rendszer és az iW-RainboW-G64M Speedster7T egykártyás rendszermodul, ezzel is bizonyítva, hogy közösen képesek a különböző FPGA-platformok iránti igények kielégítésére.

Összegzés

Egykártyás rendszermodulokat tartalmazó termékválasztékán túl az iWave számos FPGA-tervezési szolgáltatással is segíti ügyfeleit, beleértve a hordozókártyák tervezését, az FPGA IP (FPGA-val használható, szellemi tulajdonú) rendszermagok fejlesztését, a hordozhatóságot, a testreszabást, a Linux rendszerre történő fejlesztést és a kártyatámogató csomagok hordozhatóságát, a tanúsításokat és a mechanikai tervezést. 1999-es alapítása óta az iWave beágyazott rendszerek tervezésére specializálódott, és olyan iparágakat szolgál ki, mint az ipar, a gyógyászat, a gépjárműipar és repülőgépipar. Az FPGA-k és FPGA egykártyás rendszerek terén szerzett széles körű szakértelmük lehetővé teszi, hogy olyan strapabíró megoldásokat kínáljanak, amelyek megfelelnek a szigorú ipari szabványoknak, és problémamentes termékfejlesztést tesznek lehetővé globális ügyfélkörük számára.