Waarom een FPGA SoM gebruiken voor FPGA-systeemontwerpen?

De vraag naar Field Programmable Gate Arrays of FPGA’s stijgt met de uitbreiding van toepassingen zoals datacenters, krachtige computers, medische beeldvorming, nauwkeurige lay-outsporen, gespecialiseerde PCB-materialen, beperkingen van de vormfactor en thermisch beheer. Voorheen kozen hardwareontwerpers voor een ‘chip-down’ architectuur, waarbij ze specifieke siliciumcomponenten selecteerden en een volledig op maat gemaakte printplaat ontwikkelden voor de toepassing. Hoewel deze aanpak resulteert in een sterk geoptimaliseerde implementatie, zijn de ontwikkeltijd en -kosten tot productie aanzienlijk. Om tijd en kosten te besparen, overwegen ontwerpteams nu meer geïntegreerde oplossingen zoals Multi-Chip Modules (MCM), System-in-Packages (SiP), Single-Board Computers (SBC) of System-on-Modules (SoM).

De FPGA SoM-markt breidt zich snel uit, waardoor een breder scala aan gebruikers op FPGA gebaseerde platforms kan overstappen. Deze SoM’s worden veel gebruikt in verschillende toepassingen dankzij hun aanpasbare architectuur en gebruiksvriendelijk ontwerp.

Een overzicht van FPGA System-on-Modules

Een FPGA SoM is een compacte rekenmodule die ontworpen is voor integratie in grotere systemen, in tegenstelling tot standalone Single Board Computers. Het bevat essentiële componenten zoals high-speed DDR-geheugen, flash-opslag, voedingsbeheer, gemeenschappelijke interfacecontrollers en BSP-software (Board Support Package), samen met ondersteuning voor high-speed transceiverblokken en meerdere communicatieprotocollen zoals ethernet, USB en PCIe.

De SoM-benadering biedt aanzienlijke voordelen vanwege een vooraf gebouwde, vooraf geteste module met de belangrijkste computeronderdelen en software, waardoor de ontwikkelingstijd wordt versneld, de kosten worden verlaagd en het eenvoudiger wordt om componenten te bevoorraden. Hierdoor kunnen R&D-teams zich richten op de specifieke behoeften van hun bedrijf, wat leidt tot beter voorspelbare ontwerpcycli en betere bedrijfsresultaten. Daarnaast bieden SoM’s schaalbaarheid en flexibiliteit, waardoor het eenvoudig is om componenten te upgraden of aan te passen zonder het hele systeem te reviseren. Door gebruik te maken van SoM’s kunnen bedrijven producten sneller op de markt brengen, het risico op ontwerpfouten verkleinen en de algehele efficiëntie verbeteren, waardoor dit een aantrekkelijke oplossing is voor verschillende geavanceerde toepassingen.

Time-to-market

Een op SoM gebaseerde aanpak verkort de ontwikkelingstijd aanzienlijk, waardoor het product sneller op de markt kan worden gebracht. Omdat SoM’s vooraf getest en gekwalificeerd zijn door fabrikanten zoals iWave kunnen ontwerpers deze modules sneller en met minder fouten in hun producten integreren. Deze prevalidatie zorgt ervoor dat de modules voldoen aan hoge normen voor betrouwbaarheid en prestaties, waardoor uitgebreide interne tests en probleemoplossing overbodig worden. Door gebruik te maken van SoM’s kunnen bedrijven hun ontwikkelingscycli stroomlijnen waardoor ze minder tijd en middelen hoeven te besteden aan ontwerp- en validatieprocessen (afbeelding 1). Hierdoor kunnen ze zich richten op hun unieke waardeproposities en kerncompetenties, in plaats van verstrikt te raken in de complexiteit van systeemintegratie. De modulaire aard van SoM’s biedt ook flexibiliteit in het ontwerpproces, waardoor veranderingen en aanpassingen mogelijk zijn, zelfs in de latere stadia van de ontwikkeling, zonder dat er veel werk hoeft te worden verzet.

Afbeelding 1: Het gebruik van SoM’s kan de ontwerptijd aanzienlijk verkorten, wat resulteert in een snellere time-to-market. (Bron afbeelding: iWave)

Ontwikkelingskosten en complexiteit

Het gebruik van een productieklare en gekwalificeerde SoM vermindert de complexiteit van het FPGA-systeemontwerp aanzienlijk. Door vooraf geteste SoM’s in de productontwikkeling te integreren, beperken bedrijven de risico’s die gepaard gaan met fouten in het hardwareontwerp en compatibiliteitsproblemen. Deze aanpak versnelt niet alleen de time-to-market, maar verlaagt ook de totale ontwikkelings- en kwalificatiekosten. SoM’s ondergaan rigoureuze testregimes, waaronder strenge EMC-tests (elektromagnetische compatibiliteit) en verschillende omgevingsstresstests, zoals thermische cycli en veroudering. Deze tests zorgen ervoor dat de modules bestand zijn tegen zware bedrijfsomstandigheden met behoud van betrouwbare prestaties, waardoor de noodzaak voor uitgebreide interne test- en validatie-inspanningen minimaal is.

Modulariteit en schaalbaarheid van het product

Een van de belangrijkste voordelen van een SoM-aanpak voor FPGA System-on-Chip (SoC) oplossingen is de verbeterde modulariteit en schaalbaarheid. SoM’s zijn ontworpen om een breed scala aan FPGA-logicadichtheden, I/O-configuraties en transceivermogelijkheden te ondersteunen. Dankzij deze flexibiliteit kunnen productontwerpers een geschikte SoM kiezen die voldoet aan hun specifieke toepassingseisen zonder dat ze de volledige hardwarearchitectuur opnieuw hoeven te ontwerpen. Een architectuur met een enkele carrier board kan bijvoorbeeld plaats bieden aan verschillende SoM-configuraties, variërend van kleinere FPGA’s met basisfuncties tot grotere, complexere FPGA’s met geavanceerde verwerkingsmogelijkheden. Deze modulariteit vergemakkelijkt naadloze schaalbaarheid en toekomstbestendigheid van ontwerpen, waardoor eenvoudige upgrades naar nieuwere generaties FPGA’s of extra functionaliteiten mogelijk zijn naarmate de marktbehoeften zich aanpassen.

Afbeelding 2: Een FPGA SoC biedt verbeterde modulariteit en schaalbaarheid. (Bron afbeelding: iWave)

Beheer van toeleveringsketens en productlevenscycli

Toeleveringsketenbeheer voor op FPGA gebaseerde systemen omvat het coördineren van een groot aantal componenten die afkomstig zijn van verschillende leveranciers. Een op SoM gerichte aanpak vereenvoudigt deze complexiteit door de verantwoordelijkheden voor inkoopbeheer en supply chain management te consolideren bij de SoM-leveranciers, zoals iWave. Deze leveranciers onderhouden strategische relaties met belangrijke leveranciers van onderdelen en maken gebruik van proactieve prognosetechnieken om een consistente beschikbaarheid van leveringen en concurrerende prijzen te garanderen. Dit proactieve beheer vermindert doorlooptijden, minimaliseert inkooprisico’s en optimaliseert het voorraadbeheer, wat uiteindelijk leidt tot kostenbesparingen en operationele efficiëntie voor bedrijven.

Afbeelding 3: Een op SoM gerichte aanpak vereenvoudigt de complexiteit door de verantwoordelijkheden voor inkoopbeheer en supply chain management te consolideren. (Bron afbeelding: iWave)

Effectief beheer van de levenscyclus van een product (product lifecycle management, PLM) is cruciaal voor het behoud van de levensduur en het concurrentievermogen van op FPGA gebaseerde producten. SoM-leveranciers spelen hierbij een cruciale rol door voortdurend de veroudering van componenten en markttrends in de gaten te houden. Ze werken proactief SoM-ontwerpen en softwarepakketten bij met nieuwe functies, verbeteringen en beveiligingspatches. Deze proactieve benadering vermindert de risico’s die gepaard gaan met EOL-aankondigingen (End-of-Life) van componenten, waardoor een naadloze productcontinuïteit wordt gegarandeerd en de verstoring van de activiteiten van de klant tot een minimum wordt beperkt. Door PLM-verantwoordelijkheden toe te vertrouwen aan SoM-leveranciers kunnen bedrijven hun interne middelen richten op innovatie en kerncompetenties, in plaats van op het beheren van de dynamiek van de toeleveringsketen en het beperken van risico’s tijdens de levenscyclus van producten.

Voordelen voor softwareontwikkelaars

Softwareontwikkeling voor op FPGA gebaseerde systemen kan worden gestroomlijnd en versneld met behulp van SoM’s. Deze modules zijn uitgerust met vooraf gevalideerde Board Support Packages (BSP’s) en referentieontwerpen, die een stabiele en gestandaardiseerde softwareontwikkelomgeving bieden. Ontwikkelaars kunnen deze bronnen gebruiken om de ontwikkeling van applicatiesoftware te versnellen zonder de complexiteit van het aanpassen van software aan verschillende hardwareconfiguraties. Deze aanpak verkort niet alleen de ontwikkelingscycli, maar verbetert ook de betrouwbaarheid en compatibiliteit van software, zodat ontwikkelaars zich kunnen richten op het optimaliseren van de prestaties en functionaliteit van applicaties.

iWave biedt een divers en uitgebreid SoM-portfolio in samenwerking met toonaangevende FPGA-leveranciers zoals AMD, Altera en Achronix. Dit partnerschap geeft iWave vroegtijdige toegang tot geavanceerde FPGA-technologieën, waardoor ze een breed scala aan SoM’s en Commercial Off-the-Shelf (COTS) modules kunnen ontwikkelen die zijn afgestemd op verschillende toepassingsbehoeften. Onder AMD’s Zynq UltraScale+ serie biedt iWave bijvoorbeeld meerdere opties zoals de iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M en iW-RainboW-G47M, die verschillende configuraties bieden en geschikt zijn voor diverse prestatievereisten. Ook iWave biedt, samen met Altera en Achronix, SoM’s zoals de iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA en iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM, waarmee ze laten zien dat ze geschikt zijn voor diverse FPGA-platforms.

Conclusie

Naast hun SoM-portfolio biedt iWave een reeks FPGA-ontwerpservices, waaronder carrier board design, FPGA IP-ontwikkeling, porting, maatwerk, Linux en Board Support Package (BSP) porting, certificeringen en mechanisch ontwerp. Sinds de oprichting in 1999 heeft iWave zich gespecialiseerd in embedded systems engineering en levert het bedrijf aan industrieën zoals Industrial, Medical, Automotive en Avionics. Dankzij hun uitgebreide expertise in FPGA- en SoC-FPGA-technologieën kunnen ze robuuste oplossingen leveren die voldoen aan strenge industrienormen en naadloze productontwikkeling mogelijk maken voor hun wereldwijde klantenkring.