Perché utilizzare un SoM per progettare sistemi FPGA?

La domanda di FPGA è in aumento con l'espansione di applicazioni come i data center, i computer ad alte prestazioni, l'imaging medico, le tracce di layout precise, i materiali specializzati per le PCB, i vincoli sul fattore di forma e la gestione termica. In precedenza, i progettisti hardware optavano per un'architettura "chip-down", selezionando specifici dispositivi al silicio e sviluppando un circuito completamente personalizzato per l'applicazione. Sebbene questo approccio porti a un'implementazione ottimizzata, richiede tempi e costi di sviluppo significativi per andare in produzione. Per risparmiare tempo e denaro, i team di progettazione stanno prendendo in considerazione soluzioni più integrate, come i moduli multi-chip (MCM), i System-in-Package (SiP), i computer monoscheda (SBC) o i System-on-Module (SoM).

Il mercato dei SoM FPGA è in rapida espansione e dà a un maggior numero di utenti la possibilità di adottare piattaforme basate su FPGA. Questi SoM sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni grazie alla loro architettura adattabile e al design intuitivo.

Panoramica del SoM FPGA

Un SoM FPGA è un modulo di calcolo compatto progettato per l'integrazione in sistemi più grandi, a differenza dei computer monoscheda indipendenti. Include componenti essenziali come la memoria DDR ad alta velocità, la memoria flash, la gestione dell'alimentazione, i controller di interfaccia comuni e il software BSP (board support package), oltre al supporto di blocchi transceiver ad alta velocità e di diversi protocolli di comunicazione come Ethernet, USB e PCIe.

L'approccio SoM presenta vantaggi significativi in quanto offre un modulo pre-costruito e pre-testato con parti di calcolo e software di base, accelerando i tempi di sviluppo, riducendo i costi e semplificando l'approvvigionamento dei componenti. Ciò consente ai team di R&S di concentrarsi sulle esigenze specifiche dell'azienda, con cicli di progettazione più prevedibili e risultati commerciali migliori. Inoltre, i SoM offrono scalabilità e flessibilità, facilitando l'aggiornamento o la modifica dei componenti senza dover revisionare l'intero sistema. Sfruttando i SoM, le aziende possono portare i prodotti sul mercato più velocemente, ridurre il rischio di errori di progettazione e migliorare l'efficienza complessiva. Ciò li rende una soluzione interessante per diverse applicazioni avanzate.

Time-to-market

Un approccio basato sul SoM riduce significativamente i tempi di sviluppo, per un time-to-market più veloce. Poiché i SoM sono pre-testati e qualificati da produttori come iWave, i progettisti possono integrare questi moduli nei loro prodotti più rapidamente e con meno errori. Questa pre-validazione garantisce che i moduli soddisfino elevati standard di affidabilità e prestazioni, eliminando la necessità di effettuare test e ricerche approfondite in azienda. Sfruttando i SoM, le aziende possono snellire i cicli di sviluppo, riducendo il tempo e le risorse impiegate nei processi di progettazione e validazione (Figura 1). In questo modo possono concentrarsi sulle loro proposte di valore uniche e sulle loro competenze principali, anziché arenarsi nelle complessità dell'integrazione dei sistemi. La natura modulare dei SoM offre anche una certa flessibilità di progettazione, consentendo modifiche e regolazioni anche nelle fasi successive dello sviluppo, senza dover ricorrere a forte rielaborazione.

Figura 1: L'uso dei SoM può ridurre significativamente i tempi di progettazione, con conseguente accelerazione del time-to-market. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Costo e complessità dello sviluppo

L'utilizzo di un SoM qualificato e pronto per la produzione riduce significativamente la complessità della progettazione di sistemi FPGA. Integrando SoM pre-testati nello sviluppo dei prodotti, le aziende riducono i rischi associati agli errori di progettazione hardware e ai problemi di compatibilità. Questo approccio non solo accelera il time-to-market, ma riduce anche i costi complessivi di sviluppo e qualificazione. I SoM sono sottoposti a rigorosi regimi di prova, tra cui severi test di compatibilità elettromagnetica (EMC) e vari test di sollecitazioni ambientali, come cicli termici e invecchiamento. Questi test assicurano che i moduli siano in grado di resistere a condizioni operative difficili mantenendo prestazioni affidabili, riducendo così al minimo la necessità di effettuare test e validazioni interne.

Modularità e scalabilità dei prodotti

Uno dei principali vantaggi dell'adozione di un approccio basato su SoM per le soluzioni SoC (System-on-Chip) FPGA è la maggiore modularità e scalabilità. I SoM sono progettati per supportare un'ampia gamma di densità logiche di FPGA, configurazioni di I/O e capacità di ricetrasmissione. Questa flessibilità consente ai progettisti di prodotti di selezionare un SoM appropriato che si allinei con i loro requisiti applicativi specifici, senza dover riprogettare l'intera architettura hardware. Ad esempio, l'architettura di una singola scheda di supporto può ospitare diverse configurazioni SoM, che vanno da FPGA più piccoli con funzionalità di base a FPGA più grandi e complessi con capacità di elaborazione avanzate. Questa modularità facilita la scalabilità e il futuro dei progetti, consentendo facili aggiornamenti a nuove generazioni di FPGA o a funzionalità aggiuntive in base all'evoluzione della domanda del mercato.

Figura 2: Un SoC FPGA offre una maggiore modularità e scalabilità. (Immagine per gentile concessione di iWave)

Gestione della supply chain e del ciclo di vita dei prodotti

La gestione della supply chain dei sistemi basati su FPGA implica il coordinamento di una moltitudine di componenti provenienti da diversi fornitori. Un approccio incentrato sul SoM semplifica questa complessità consolidando le responsabilità di approvvigionamento e gestione della supply chain con i fornitori di SoM, come iWave. Questi fornitori hanno relazioni strategiche con i principali fornitori di componenti e utilizzano tecniche predittive proattive per garantire una disponibilità costante dei prodotti e prezzi competitivi. Questa gestione proattiva riduce i tempi di consegna, minimizza i rischi di approvvigionamento e ottimizza la gestione delle scorte, contribuendo in ultima analisi al risparmio dei costi e all'efficienza operativa delle aziende.

Figura 3: Un approccio incentrato sul SoM semplifica la complessità consolidando le responsabilità di approvvigionamento e gestione della supply chain. (Immagine per gentile concessione di iWave)

La gestione efficace del ciclo di vita del prodotto (PLM) è fondamentale per la longevità e la competitività dei prodotti basati su FPGA. I fornitori di SoM svolgono un ruolo fondamentale in questo senso, monitorando costantemente l'obsolescenza dei componenti e le tendenze del mercato. Aggiornano proattivamente i progetti SoM e i pacchetti software per incorporare nuove funzionalità, miglioramenti e patch di sicurezza. Questo approccio proattivo riduce i rischi associati agli annunci di EOL (fine vita) dei componenti, garantendo la continuità dei prodotti e riducendo al minimo le interruzioni delle attività dei clienti. Affidando le responsabilità del PLM ai fornitori di SoM, le aziende possono concentrare le proprie risorse interne sull'innovazione e sulle competenze di base, anziché sulla gestione delle dinamiche della supply chain e sulla mitigazione dei rischi del ciclo di vita dei prodotti.

Vantaggi per gli sviluppatori di software

Lo sviluppo del software per i sistemi basati su FPGA può essere semplificato e accelerato utilizzando i SoM. Questi moduli sono dotati di BSP (board support package) e progetti di riferimento pre-validati, che offrono un ambiente di sviluppo software stabile e standardizzato. Gli sviluppatori possono sfruttare queste risorse per accelerare lo sviluppo del software applicativo senza la complessità di adattare il software a diverse configurazioni hardware. Questo approccio non solo riduce i cicli di sviluppo, ma migliora anche l'affidabilità e la compatibilità del software, consentendo agli sviluppatori di concentrarsi sull'ottimizzazione delle prestazioni e delle funzionalità delle applicazioni.

iWave offre un portafoglio SoM vario e completo in collaborazione con i principali fornitori di FPGA come AMD, Altera e Achronix. Questa partnership garantisce a iWave l'accesso anticipato alle tecnologie FPGA all'avanguardia, al fine di sviluppare un'ampia gamma di SoM e moduli COTS (Commercial-Off-The-Shelf) su misura per le varie esigenze applicative. Ad esempio, nell'ambito della serie Zynq UltraScale+ di AMD, iWave offre diverse opzioni come iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M e iW-RainboW-G47M, ognuna con diverse configurazioni adatte a svariati requisiti prestazionali. Allo stesso modo, con Altera e Achronix, iWave offre SoM come l'FPGA iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC e il SoM iW-RainboW-G64M Speedster7T, dimostrando la capacità di soddisfare le esigenze di diverse piattaforme FPGA.

Conclusione

Oltre al portafoglio SoM, iWave supporta i clienti con una serie di servizi di progettazione FPGA che comprendono la progettazione di schede di supporto, lo sviluppo di IP FPGA, il porting, la personalizzazione, il porting di Linux e di BSP (board support package), le certificazioni e la progettazione meccanica. Sin dalla sua fondazione nel 1999, iWave si è specializzata nella progettazione di sistemi embedded, servendo vari settori tra cui quello industriale, medicale, automotive e avionico. La vasta esperienza aziendale nelle tecnologie FPGA e SoC FPGA porta a soluzioni robuste che soddisfano i rigorosi standard del settore e consentono lo sviluppo di prodotti per i clienti in tutto il mondo.