Varför använda en FPGA SoM för FPGA-systemkonstruktioner?

Efterfrågan på FPGA:er ökar i takt med utbyggnaden av tillämpningar som datacenter, högeffektiva datorer, medicinteknisk bildbehandling, exakta layoutspår, specialiserade kretskortsmaterial, begränsningar i format och termisk hantering. Tidigare valde hårdvarukonstruktörer en "kretsbaserad" arkitektur, där man valde ut specifika kiselkomponenter och utvecklade ett helt anpassat kretskort för tillämpningen. Även om detta tillvägagångssätt resulterar i en mycket optimerad implementering, kräver det betydande utvecklingstid och kostnader för att nå produktionsberedskap. För att spara tid och pengar överväger designteamen nu mer integrerade lösningar som MCM (Multi-Chip Modules), SiP (System-in-Packages), SBC (Single-Board Computers) eller SoM (System-on-Modules).

FPGA SoM-marknaden ökar snabbt, vilket gör det möjligt för en större mängd användare att använda FPGA-baserade plattformar. Dessa SoM-kretsar används ofta i olika tillämpningar på grund av sin anpassningsbara arkitektur och användarvänliga design.

Översikt över FPGA-system på modul

En FPGA SoM är en kompakt beräkningsmodul som är utformad för att integreras i större system, till skillnad från fristående enkortsdatorer. Den innehåller viktiga komponenter som DDR-minne med hög hastighet, flashlagring, strömhantering, styrenheter för gemensamma gränssnitt och BSP-programvara (Board Support Package), samt stöd för höghastighetsblock för transceiver och flera kommunikationsprotokoll som Ethernet, USB och PCIe.

SoM-metoden ger betydande fördelar genom att erbjuda en färdigbyggd och förtestad modul med centrala datorkomponenter och programvara, vilket påskyndar utvecklingstiden, minskar kostnaderna och förenklar komponentinköp. Detta gör att FoU-team kan fokusera på företagets specifika behov, vilket leder till mer förutsägbara designcykler och bättre affärsresultat. Dessutom erbjuder SoM skalbarhet och flexibilitet, vilket gör det enkelt att uppgradera eller ändra komponenter utan att behöva göra om hela systemet. Genom att utnyttja SoM-kretsar kan företag snabbare få ut produkter på marknaden, minska risken för konstruktionsfel och förbättra den övergripande effektiviteten, vilket gör det till en attraktiv lösning för olika avancerade tillämpningar.

Tid till marknad

Ett SoM-baserat arbetssätt minskar utvecklingstiden avsevärt, vilket ger en snabbare tid till marknaden. Eftersom SoM-kretsar är förtestade och kvalificerade av tillverkare som iWave, kan konstruktörer integrera dessa moduler i sina produkter snabbare och med färre fel. Denna förhandsvalidering garanterar att modulerna uppfyller höga krav på tillförlitlighet och prestanda, vilket eliminerar behovet av omfattande interna tester och felsökning. Genom att utnyttja SoM-kretsar kan företagen effektivisera sina utvecklingscykler och minska den tid och de resurser som läggs på design- och valideringsprocesser (figur 1). Det gör att de kan fokusera på sina unika värdeerbjudanden och kärnkompetenser, snarare än att fastna i komplexiteten med systemintegration. SoM-kretsens modulära natur ger även flexibilitet i konstruktionsprocessen, vilket möjliggör ändringar och justeringar även i de senare utvecklingsstadierna utan betydande omarbetningar.

Figur 1: Genom att använda SoM-kretsar kan konstruktionstiden minskas avsevärt, vilket leder till en snabbare tid till marknaden. (Bildkälla: iWave)

Utvecklingskostnad och komplexitet

Genom att använda en produktionsfärdig och kvalificerad SoM-krets minskar komplexiteten i FPGA-systemdesignen avsevärt. Genom att integrera förtestade SoM-kretsar i produktutvecklingen minskar företagen de risker som är förknippade med fel i hårdvarudesignen och kompatibilitetsproblem. Detta tillvägagångssätt förkortar inte bara tiden till marknaden utan minskar även de totala utvecklings- och kvalificeringskostnaderna. SoM-kretsar genomgår rigorösa testuppsättningar, inklusive strikta EMC-tester (Electromagnetic Compatibility) och olika miljötester som termisk cykling och åldring. Testerna säkerställer att modulerna klarar tuffa driftsförhållanden med bibehållen tillförlitlig prestanda, vilket minimerar behovet av omfattande interna test- och valideringsinsatser.

Produktens modularitet och skalbarhet

En av de främsta fördelarna med att använda ett SoM-baserat tillvägagångssätt för FPGA System-on-Chip (SoC)-lösningar är förbättrad modularitet och skalbarhet. SoM-kretsar är utformade för att stödja ett brett spektrum av FPGA-logiktätheter, I/O-konfigurationer och transceiverfunktioner. Denna flexibilitet gör det möjligt för produktutvecklare att välja en lämplig SoM som passar deras specifika tillämpningskrav utan att behöva konstruera om hela hårdvaruarkitekturen. Ett enda kort kan t.ex. rymma olika SoM-konfigurationer, från mindre FPGA:er med grundläggande funktioner till större, mer komplexa FPGA:er med avancerade bearbetningsmöjligheter. Denna modularitet underlättar sömlös skalbarhet och framtidssäkring av konstruktioner, vilket möjliggör enkla uppgraderingar till nyare FPGA-generationer eller ytterligare funktioner i takt med att marknadens krav utvecklas.

Figur 2: en FPGA SoC som ger förbättrad modularitet och skalbarhet (Bildkälla: iWave)

Hantering av leveranskedjor och produktlivscykler

Att hantera leveranskedjan för FPGA-baserade system innebär att man måste samordna en mängd olika komponenter från olika leverantörer. En SoM-centrerad strategi förenklar denna komplexitet genom att konsolidera ansvaret för upphandling och hantering av leveranskedjan hos SoM-leverantörerna, som iWave. Dessa leverantörer upprätthåller strategiska relationer med viktiga komponentleverantörer och använder proaktiva prognosmetoder för att garantera en jämn tillgång och konkurrenskraftiga priser. Denna proaktiva hantering minskar ledtiderna, minimerar upphandlingsriskerna och optimerar lagerhanteringen, vilket i slutändan bidrar till kostnadsbesparingar och operativ effektivitet för företagen.

Figur 3: En SoM-centrerad strategi förenklar komplexiteten genom att konsolidera ansvarsområdena för upphandling och hantering av leveranskedjan. (Bildkälla: iWave)

En effektiv produktlivscykelhantering (PLM) är avgörande för att upprätthålla livslängden och konkurrenskraften hos FPGA-baserade produkter. SoM-leverantörerna spelar en central roll i detta sammanhang genom att kontinuerligt övervaka komponenternas föråldring och marknadstrender. De uppdaterar proaktivt SoM-konstruktioner och programvarupaket för att införliva nya funktioner, förbättringar och säkerhetsuppdateringar. Detta proaktiva tillvägagångssätt minskar riskerna i samband med EOL-meddelanden (End-of-Life) för komponenter, säkerställer sömlös produktkontinuitet och minimerar störningar i kundernas verksamhet. Genom att överlåta PLM-ansvaret till SoM-leverantörer kan företagen fokusera sina interna resurser på innovation och kärnkompetens, snarare än på att hantera dynamiken i leveranskedjan och minska riskerna under produktlivscykeln.

Fördelar för programvaruutvecklare

Programvaruutveckling med FPGA-baserade system kan effektiviseras och påskyndas med hjälp av SoM-kretsar. Modulerna är utrustade med förvaliderade BSP:er (Board Support Packages) och referenskonstruktioner, vilket ger en stabil och standardiserad utvecklingsmiljö för programvara. Utvecklare kan utnyttja dessa resurser för att påskynda utvecklingen av tillämpningsprogram utan att behöva anpassa programvaran till olika hårdvarukonfigurationer. Detta tillvägagångssätt förkortar inte bara utvecklingscyklerna utan förbättrar även programvarans tillförlitlighet och kompatibilitet, vilket gör att utvecklarna kan fokusera på att optimera tillämpningarnas prestanda och funktion.

iWave har en mångsidig och omfattande SoM-portfölj i samarbete med ledande FPGA-leverantörer som AMD, Altera och Achronix. Detta partnerskap ger iWave tidig tillgång till den senaste FPGA-tekniken, vilket gör det möjligt för dem att utveckla ett brett utbud av SoM-kretsar och Commercial off-the-shelf (COTS)-moduler som är skräddarsydda för olika tillämpningsbehov. I serien Zynq UltraScale+ från AMD erbjuder iWave till exempel flera alternativ som iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M och iW-RainboW-G47M, som alla har olika konfigurationer för olika prestandakrav. På samma sätt erbjuder iWave, tillsammans med Altera och Achronix, SoMs som iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA och iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM, vilket visar på deras förmåga att tillgodose olika FPGA-plattformar.

Sammanfattning

Utöver SoM-portföljen erbjuder iWave sina kunder ett brett utbud av FPGA-designtjänster, inklusive design av bärarkort, utveckling, portning och anpassning av FPGA-IP, portning av Linux och BSP (Board Support Package), certifieringar och mekanisk design. Sedan starten 1999 har iWave specialiserat sig på teknik för inbyggda system och levererar till branscher som industri, medicinteknik samt fordons- och flygindustri. Deras omfattande expertis inom FPGA- och SoC FPGA-teknik gör det möjligt för dem att tillhandahålla robusta lösningar som uppfyller strikta branschstandarder och möjliggör sömlös produktutveckling för deras globala kundkrets.