Miksi käyttää FPGA SoM-moduuleita FPGA-järjestelmäsuunnittelussa?

FPGA-piirien kysyntä on kasvamassa datakeskuksien, suorituskykyisten tietokoneiden ja lääketieteellisen kuvantamisen kaltaisten käyttökohteiden yleistymisen sekä tarkkojen layout-johtimien, erikoistuneiden piirilevymateriaalien, kokorajoitusten ja lämmönhallinnan ansiosta. Laitteistosuunnittelijat käyttivät aiemmin ”chip-down” -arkkitehtuuria, jossa valittiin tietty piikomponentti ja kehitettiin täysin mukautettu piirilevy sovellusta varten. Vaikka tämä lähestymistapa johtaakin erittäin optimoituun toteutukseen, tuotantovalmiuden saavuttaminen vaatii paljon kehitysaikaa ja maksaa paljon. Ajan ja rahan säästämiseksi suunnittelutiimit harkitsevat nykyisin integroidumpia ratkaisuja, kuten monisirumoduuleja (Multi-Chip Module, MCM), järjestelmäpaketteja (System-in-Package, SiP), yhden piirilevyn tietokoneita (Single-Board Computer, SBC) tai järjestelmämoduuleja (System-on-Module, SoM).

FPGA SoM -markkinat laajenevat nopeasti, minkä ansiosta yhä suurempi määrä käyttäjiä voi alkaa käyttöön FPGA-pohjaisia alustoja. Näitä SoM-ratkaisuja käytetään paljon erilaisissa sovelluksissa niiden mukautuvan arkkitehtuurin ja käyttäjäystävällisen rakenteen ansiosta.

FPGA-järjestelmämoduulin yleiskatsaus

FPGA SoM on kompakti tietokonemoduuli, joka on suunniteltu integroitavaksi suurempiin järjestelmiin, toisin kuin erilliset SBC-kortit. Se sisältää sellaisia tärkeitä komponentteja kuten nopean DDR-muistin, flash-tallennuksen, virranhallinnan, yleiset liitäntäohjaimet ja BSP-ohjelmiston (Board Support Package). Näiden lisäksi se tukee nopeita lähetin-vastaanottimia ja useita Ethernetin, USB:n ja PCIe:n kaltaisia tiedonsiirtoprotokollia.

SoM-moduulien käyttö tarjoaa merkittäviä etuja tarjoamalla valmiiksi rakennetun ja testatun tärkeimmillä tietokonekomponenteilla ja ohjelmistoilla varustetun moduulin, mikä lyhentää kehitystyön vaatimaa aikaa, vähentää kustannuksia ja yksinkertaistaa komponenttien hankintaa. Tämän ansiosta tuotekehitystiimit voivat keskittyä yrityksensä erityistarpeisiin, mikä johtaa ennustettavampaan suunnitteluaikatauluun ja parempiin liiketoimintatuloksiin. Lisäksi SoM-moduulien skaalautuvuus ja joustavuus helpottavat komponenttien päivitystä tai muokkaamista tarvitsematta laittaa koko järjestelmää uusiksi. SoM-moduuleja hyödyntämällä yritykset voivat tuoda tuotteen markkinoille nopeammin, vähentää suunnitteluvirheiden riskiä ja parantaa yleistä hyötysuhdetta, mikä tekee siitä houkuttelevan ratkaisun erilaisiin edistyneisiin sovelluksiin.

Markkinoilletuontiaika

SoM-pohjainen lähestymistapa lyhentää merkittävästi kehitysaikaa ja siten myös markkinoilletuontiaikaa. Koska valmistajat, kuten iWave, ovat esitestanneet ja hyväksyneet nämä SoM-moduulit, suunnittelijat voivat integroida nämä moduulit tuotteisiinsa nopeammin vähemmillä virheillä. Tämä esivalidointi varmistaa, että moduulit täyttävät korkeat luotettavuus- ja suorituskykystandardit, mikä poistaa tarpeen tehdä laajaa sisäistä testausta ja vianmääritystä. SoM-moduuleja hyödyntämällä yritykset voivat tehostaa ja nopeuttaa kehityssyklejään ja vähentää suunnittelu- ja validointiprosesseihin käytettyä aikaa ja resursseja (kuva 1). Näin he voivat keskittyä omiin arvolupauksiinsa ja ydinosaamiseensa sen sijaan, että joutuisivat tarpomaan läpi järjestelmäintegraation monimutkaisen viidakon. SoM-moduulien modulaarinen luonne tarjoaa myös joustavuutta suunnitteluprosessiin mahdollistaen muutokset ja säädöt jopa kehitystyön loppuvaiheissa vaatimatta merkittävää uudelleensuunnittelua.

Kuva 1: SoM-moduulien käyttö voi merkittävästi lyhentää suunnitteluaikaa ja siten myös markkinoilletuontiaikaa. (Kuvan lähde: iWave)

Kehitystyön kustannukset ja kompleksisuus

Tuotantovalmiin ja hyväksytyn SoM-moduulin käyttö vähentää merkittävästi FPGA-järjestelmän suunnittelutyön kompleksisuutta. Integroimalla esitestatut SoM-moduulit tuotekehitykseensä yritykset voivat vähentää laitteistosuunnitteluvirheisiin ja yhteensopivuusongelmiin liittyviä riskejä. Tämä lähestymistapa ei ainoastaan lyhennä markkinoilletuontiaikaa vaan vähentää myös kehitystyön ja hyväksyntöjen kokonaiskustannuksia. SoM-moduulit käyvät läpi haastavat testausohjelmat, jotka sisältävät vaativat sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) testit ja erilaisia lämpövuorottelun ja vanhentamisen kaltaisia ympäristörasitustestejä. Nämä testit varmistavat, että moduulit kestävät ankaria käyttöolosuhteita säilyttäen samalla luotettavan suorituskyvyn, mikä minimoi tarpeen laajamittaiselle sisäiselle testaamiselle ja validoinnille.

Tuotteen modulaarisuus ja skaalautuvuus

Parempi modulaarisuus ja skaalautuvuus ovat eräitä tärkeimpiä SoM-pohjaisen lähestymistavan käyttöönoton etuja FPGA-järjestelmäpiiriratkaisuissa (SoC). SoM-moduulit on suunniteltu tukemaan suurta määrää erilaisia FPGA-logiikkatiheyksiä, I/O-konfiguraatioita ja lähetin-vastaanotinominaisuuksia. Tämän joustavuuden ansiosta tuotesuunnittelijat voivat valita heidän erityisiä sovellusvaatimuksiaan vastaavan SoM-moduulin ilman, että koko laitteistoarkkitehtuuria tarvitsee suunnitella uudelleen. Esimerkiksi yhden kantajakortin arkkitehtuurissa voidaan käyttää erilaisia SoM-konfiguraatioita pienistä perusominaisuudet sisältävistä FPGA-piireistä suurempiin ja monimutkaisempiin FPGA-piireihin, joissa on edistyneet prosessointiominaisuudet. Tämä modulaarisuus helpottaa saumattomasti skaalattavien ja teknisesti pitkäikäisten ratkaisujen suunnittelua mahdollistaen helpon päivityksen uudempiin FPGA-sukupolviin tai toiminnallisuuden lisäämisen markkinoiden tarpeiden kehittyessä.

Kuva 2: FPGA SoC tarjoaa paremman modulaarisuuden ja skaalautuvuuden. (Kuvan lähde: iWave)

Toimitusketjun ja tuotteen elinkaaren hallinta

FPGA-pohjaisten järjestelmien toimitusketjunhallinta edellyttää useiden eri toimittajilta hankittujen komponenttien koordinointia. SoM-keskeinen lähestymistapa yksinkertaistaa tätä kompleksisuutta keskittämällä hankinnan ja toimitusketjunhallinnan vastuut iWaven kaltaisille SoM-toimittajille. Nämä toimittajat ylläpitävät strategisia suhteita tärkeimpien komponenttitoimittajien kanssa ja käyttävät ennakoivia ennustusmenetelmiä varmistaakseen tasaisen saatavuuden ja kilpailukykyisen hinnoittelun. Tämä ennakoiva hallinta lyhentää toimitusaikoja, minimoi hankintariskit ja optimoi varastonhallinnan, mikä loppujen lopuksi tuo kustannussäästöjä ja parantaa yritysten operatiivista tehokkuutta.

Kuva 3: SoM-keskeinen lähestymistapa vähentää kompleksisuutta keskittämällä hankinnan ja toimitusketjunhallinnan vastuut. (Kuvan lähde: iWave)

Tehokas tuotteen elinkaaren hallinta (PLM) on ratkaisevan tärkeää FPGA-pohjaisten tuotteiden pitkäikäisyyden ja kilpailukyvyn säilyttämiseksi. SoM-toimittajilla on tässä keskeinen rooli, sillä ne seuraavat jatkuvasti komponenttien vanhentumista ja markkinatrendejä. Ne päivittävät ennakoivasti SoM-tarjontaansa ja ohjelmistopakettejaan tarjotakseen uusia ominaisuuksia, parannuksia ja tietoturvakorjauksia. Tämä ennakoiva lähestymistapa vähentää komponenttien käytöstäpoistamisilmoituksiin liittyviä riskejä, mikä varmistaa saumattoman tuotejatkuvuuden ja minimoi asiakkaan toiminnalle aiheutuvat häiriöt. Jättämällä vastuun tuotteen elinkaaren hallinnasta SoM-toimittajille yritykset voivat keskittää sisäiset resurssinsa innovaatioihin ja ydinosaamiseen toimitusketjun dynamiikan hallinnan ja tuotteiden elinkaaririskien vähentämisen sijaan.

Edut ohjelmistokehittäjille

FPGA-pohjaisten järjestelmien ohjelmistokehitystä voidaan virtaviivaistaa ja nopeuttaa SoM-moduulien avulla. Nämä moduulit tarjoavat valmiiksi validoidut BSP (Board Support Packages) -paketit ja referenssisuunnitelmat, jotka tarjoavat stabiilin ja standardoidun ohjelmistokehitysympäristön. Kehittäjät voivat hyödyntää näitä resursseja nopeuttaakseen sovellusohjelmistojen kehittämistä, eikä heidän tarvitse suorittaa kompleksista ohjelmiston adaptointia erilaisiin laitteistokonfiguraatioihin. Tämä lähestymistapa ei ainoastaan lyhennä kehitystyön vaatimaa aikaa vaan myös parantaa ohjelmiston luotettavuutta ja yhteensopivuutta, minkä ansiosta kehittäjät voivat keskittyä sovellusten suorituskyvyn ja toiminnallisuuden optimointiin.

iWave tarjoaa monipuolisen ja kattavan SoM-tuotevalikoiman yhteistyössä johtavien FPGA-toimittajien kanssa, esim. AMD, Altera ja Achronix. Tämä kumppanuus tarjoaa iWavelle varhaisen pääsyn huippuluokan FPGA-teknologioihin, jolloin ne voivat kehittää laajan valikoiman SoM- ja valmismoduuleja (COTS), jotka on räätälöity erilaisten sovellusten tarpeisiin. Esimerkiksi AMD Zynq UltraScale+ -sarjassa iWaven tarjonta sisältää useita vaihtoehtoja, kuten iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M ja iW-RainboW-G47M, joista jokainen tarjoaa erilaisen konfiguraation erilaisien suorituskykyvaatimuksien mukaan. Samalla tavoin iWave tarjoaa Alteran ja Achronixin tuotteille SoM-moduuleja, kuten iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA ja iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM, mikä on hyvä osoitus yrityksen kyvystä täyttää monien erilaisten FPGA-alustojen tarpeet.

Yhteenveto

SoM-tuotevalikoimansa lisäksi iWave tarjoaa asiakkailleen erilaisia FPGA-suunnittelupalveluita, joihin sisältyy kantajakorttien suunnittelu, FPGA IP -kehitystyö, ohjelmistojen siirtäminen toiselle alustalle, mukauttaminen, Linuxin ja BSP-paketin porttaus, sertifioinnit ja mekaaninen suunnittelu. Vuonna 1999 perustettu iWave on erikoistunut sulautettujen järjestelmien suunnitteluun tarjoten palveluitaan teollisuuden, lääketieteen, autoteollisuuden ja avioniikan kaltaisille teollisuudenaloille. FPGA- ja SoC FPGA -teknologioiden kattava asiantuntemus antaa yritykselle mahdollisuuden tarjota robusteja ratkaisuja, jotka täyttävät haastavat alan standardit ja mahdollistavat saumattoman tuotekehityksen maailmanlaajuiselle asiakaskunnalle.