Skip to main content

FPGA SoM-alapú termék­fejlesztés a PCB Design Kft.-nél

Megjelent: 2023. március 17.

PCB lidAz FPGA-k (Field Programmable Gate Arrays) nagy teljesítményű, sokoldalú és nagymértékben testreszabható integrált áramkörök, amelyek gyorsan népszerűvé váltak a digitális hardvertervezés területén. A hagyományos alkalmazásspecifikus integrált áramkörökkel (ASIC) ellentétben az FPGA-k átprogramozhatók a digitális logikai funkciók széles skálájának megvalósítására, így ideálisak a nagy teljesítményt, alacsony késleltetést és valós idejű feldolgozást igénylő alkalmazások széles köréhez. Az FPGA-alapú fejlesztés a repüléstől és a védelemtől a pénzügyekig és a távközlésig átalakítja a digitális rendszerek tervezésének és építésének módját.

 

Az FPGA-k sokoldalúságuk és rugalmasságuk miatt az utóbbi években egyre népszerűbbé váltak. Az FPGA-alapú fejlesztések néhány fő előnye:

Testreszabhatóság: Az FPGA-kat úgy tervezték, hogy programozhatók és átkonfigurálhatók legyenek bizonyos funkciók megvalósításához. Ez azt jelenti, hogy a fejlesztők egyedi hardvermegoldásokat hozhatnak létre az alkalmazások széles skálájához a digitális jelfeldolgozástól a kriptográfiáig.
Nagy teljesítmény: Az FPGA-k párhuzamos architektúrájuknak és optimalizált logikai tervezésüknek köszönhetően nagy teljesítményre képesek. Programozhatók összetett algoritmusok és adatfeldolgozási feladatok végrehajtására, így gyorsabb eredményeket biztosítanak, mint az általános célú CPU-kon futó szoftverek.
Alacsony késleltetés: Az FPGA-k alacsony késleltetésű adatfeldolgozást képesek létrehozni, ami elengedhetetlen a valós idejű válaszokat igénylő alkalmazásokban. Ennek oka, hogy az FPGA-kat úgy lehet programozni, hogy feladatokat hardveresen hajtsanak végre, csökkentve így az adatfeldolgozáshoz szükséges időt.
Csökkentett energiafogyasztás: Az FPGA-k energiatakarékosabbak, mint a hagyományos CPU-k, mivel optimalizálhatók az egyes feladatokra. Ez csökkenti az adott funkció elvégzéséhez szükséges energia mennyiségét, ami különösen fontos a nagy feldolgozásigényű, például mesterségesintelligencia-alkalmazásoknál.


Összességében elmondható, hogy bár az FPGA-technológia számos előnnyel jár, nem biztos, hogy minden alkalmazáshoz a legjobb választás. A fejlesztőknek gondosan mérlegelniük kell az FPGA-k használatának előnyei és hátrányai közötti kompromisszumokat, amikor kiválasztják az alkalmazásukhoz legmegfelelőbb hardveres megoldást. Összetett felépítésüknek és az általuk kínált nagyfokú testreszabhatóságnak köszönhetően az FPGA-k drágábbak, mint más hardveres lehetőségek, például a mikrokontrollerek vagy a DSP processzorok. Mivel az FPGA-k programozhatók, több fejlesztési időt igényelnek, mint a fix funkciójú hardverek – ez különösen igaz az olyan összetett alkalmazások esetében, amelyek egyéni logikai tervezést igényelnek.

 

Xilinx Zynq Ultrascale +

A Xilinx Zynq egy olyan System-on-Chip (SoC) eszközcsalád, amely a hagyományos FPGA és egy két- és négymagos ARM Cortex-A53 processzor képességeit egyesíti. Ez az egyedülálló architektúra lehetővé teszi a fejlesztők számára, hogy nagy teljesítményű, alacsony fogyasztású beágyazott rendszereket építsenek egy FPGA rugalmasságával és testreszabhatóságával, miközben kihasználják az ARM-alapú processzor feldolgozási képességeit is. A Zynq eszközöket úgy tervezték, hogy az alkalmazások széles körének igényeit kielégítsék, beleértve az ipari vezérlést, az autóipart, a repülőgépipart és a védelmi ágazatot. Számos integrált perifériával és interfésszel rendelkeznek, mint például USB, Ethernet, CAN és Display Port, így könnyen integrálhatók más hardverkomponensekkel.

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 1

1. ábra A Xilinx Zynq Ultrascale+ blokkdiagramja

 
A Xilinx Zynq UltraScale+ a Xilinx Zynq SoC-családjának legújabb generációja, amely a programozható logika teljesítményét az ARM Cortex-A53 és Cortex-R5 processzorok feldolgozási képességeivel ötvözi. A Zynq UltraScale+ család a TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 16 nm-es FinFET+ feldolgozási technológiájára épül, amely a korábbi generációkhoz képest alacsonyabb energiafogyasztást és nagyobb teljesítményt nyújt. A Zynq UltraScale+ SoC-ok perifériák széles választékát tartalmazzák, például USB 3.0, PCIe Gen3, 1G/10G Ethernet és SATA, valamint a feldolgozó alrendszerek gazdag választékát, köztük található ARM Cortex-A53, Cortex-R5 és Mali-400 MP2 GPU.
Az FPGA akár 1 143 000 logikai cellát, 1968 DSP szeletet és 80 Mbit RAM-ot tartalmaz. A Zynq UltraScale+ eszközök számos biztonsági funkcióval is rendelkeznek, például hardveralapú titkosítással és biztonságos rendszerindítással a támadások és az illetéktelen hozzáférés elleni védelem érdekében.

 

FPGA SoM-alapú termékfejlesztés

A System-on-Modules (SoM) -alapú termékfejlesztés számos előnnyel jár a hagyományos beágyazott rendszertervekhez képest. A SoM-ok kényelmes és hatékony módját kínálják a nagy teljesítményű, megbízható és skálázható beágyazott rendszerek fejlesztésének. A SoM-ok használata segíthet a fejlesztési idő, a költségek és a kockázatok csökkentésében, miközben a fejlesztők számára biztosítja a mai összetett alkalmazások igényeinek kielégítéséhez szükséges rugalmasságot és teljesítményt.

Skálázhatóság: A SoM-okat modulárisan tervezték, és a különböző alkalmazások igényeihez igazodva könnyen fel- vagy lefelé skálázhatók.
Nagy teljesítmény: A SoM-ok gyakran nagy teljesítményű processzorokon vagy FPGA-kon alapulnak, amelyek biztosítják az olyan összetett alkalmazásokhoz szükséges feldolgozási teljesítményt, mint a gépi látás és a mesterséges intelligencia.
Csökkentett fejlesztési idő: A SoM-ok előre megtervezett, előre tanúsított és tesztelt platformot biztosítanak, amely segíthet jelentősen csökkenteni a fejlesztési időt és költségeket.
Csökkentett kockázat: Mivel a SoM-ok előre teszteltek és előzetesen tanúsítottak, a hagyományos beágyazott rendszertervekhez képest kisebb a hibák vagy kompatibilitási problémák kockázata.

 

Egy mintaprojekt: TESTMESH – Fogyasztáskarakterizáló eszköz

Az IoT és a kiberfizikai rendszerek fejlesztői paradoxonnal szembesülnek: a növekvő számítási és tárolási igények miatt ezek az eszközök gyakran energiaéhesek, ugyanakkor akkumulátoros táplálás miatt többször komoly energiakorláttal működnek. Az energiafelhasználást nemcsak a hardver, hanem az eszközkezelő algoritmusok is erősen befolyásolják.
A fenti kihívások hívták életre a Zynq Ultrascale + FPGA SoM-alapú TESTMESH-egység fejlesztését.
Az NplusT Srl-t Kerekes Tamás alapította Olaszországban, azzal a céllal, hogy egy rugalmas, a félvezetőgyártókat támogató csapatot hozzon létre. Termékeiket a félvezetőipar legjelentősebb szereplői használják NVM (non-volatile memory) chipek karak­terizációja során.
A TESTMESH alaptechnológiáját a SMART4ALL POP-LEC projekt támogatta. A megvalósításban központi szerepet kapott a PCB Design Kft., akik a nagy hozzáadott értékű mérnöki szolgáltatóként élvonalbeli termékek fejlesztésében vesznek részt. Az NplusT-vel közös együttműködés során a magas szintű termékspecifikációt követően megtervezték a fenti egységet.
A TESTMESH egy olyan eszköz, amely képes a célhardvert emulálni és az eszközkezelő algoritmusokat futtatni. Az algoritmusok végrehajtása során egy speciális parametrikus mérőegység (PMU) aktiválódik.

A tervezési kihívás Kerekes Tamás szerint a PMU-val kapcsolatos: „Nem lehet egy adott alkalmazáshoz tervezni, ezért a µA-tól az A tartományig terjedő mérési tartományokat kell támogatnia. A tartományok közötti gyors váltásra is szükség van, hogy a pontosságot információvesztés nélkül biztosítsa, miközben a gyors adat-mintavételezés (100 MHz-es tartomány) a firmware által vezérelt szűréssel és hullámforma-rögzítéssel szintén elengedhetetlen”.

A fenti követelmények megvalósítására leginkább az FPGA-alapú rendszer nyújtott megoldást. Mivel ezen karakterizáló egységből – életciklusa során – kevés készül, a SoM-alapú megvalósításra esett a választás.

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 2

2. ábra TESTMESH TMA-100

 

A TESTMESH rendszer főbb feladatai:

  • analóg hullámformák pontos generálása (200 MHz sáv­szé­lességel),
  • rendkívül gyors áramérzékelés (Mhz-es sebességgel, µA-tól az A tartományig),
  • összetett törlési /írási/olvasási eljárások algoritmikus automatikus végrehajtása mikroszekundumos impulzusválasztással,
  • programozható hardveres szekvenszer a szoftverrel való interakció csökkentése érdekében.

 

TRENZ SoM modul

A Trenz Electronic egy németországi székhelyű vállalat, amely Xilinx FPGA-kon és SoC-okon alapuló, rendkívül megbízható és sokoldalú System-on-Modules (SoM) tervezésével és gyártásával foglalkozik. A vállalatot 1992-ben alapították, és mára az FPGA-alapú beágyazott rendszermegoldások vezető szolgáltatójaként tartják számon.

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 3

3. ábra TRENZ Zynq UltraScale+ SoM

 
Minden egyes bővítőkártya központi eleme a TRENZ 5,2 × 7,6 cm-es Xilinx Zynq UltraScale+ SoM modulja, amely az alábbi perifériákkal rendelkezik:

  • 2 GByte (64 bites) DDR4 SDRAM,
  • 128 MByte QSPI Boot Flash,
  • 2 Kbit soros EEPROM,
  • 4 × 160 tűs Board-to-Board csatlakozó a külső perifériák illesztéséhez:
    • 48 (HD) I/O ,
    • 156 (HP) I/O,
    • 65 × többcélú I/O (MIO),
  • konfigurációtól függően 4-8 PS és PL MGT interfész (PCIe, SATA, USB 3.0 illesztéséhez),
  • energiaellátás, egyetlen 3,3 V-ról,
  • Bare metal vagy Linux szoftverkörnyezet.

 

A rendszer felépítése

A TESTMESH TMA 100 egységet négy azonos FPGA SoM kártya vezérli. Az egyedi perifériák (például nagy sebességű ADC és DAC) optimális illesztését a nagyszámú általánosan használható IO csatlakozás biztosítja, így a feladatnak megfelelő – viszonylag egyszerű – hordozókártyák alakíthatók ki.
A Base Unit-on lévő FPGA SoM feladata az alap műszerek vezérlése, és kapcsolattartás az eszközben helyet kapó PC alaplappal, PCIe (OCULINK) interfészen keresztül.
A három darab Waveform Unit egységen lévő SoM fő feladata a nagy sebességű hullámformák generálása és mérése.
A nagy méretű Application Board, feladata a rendszerben helyet kapott műszerek multiplexelése a 32 kimeneti csatornára. A kártya további feladata a hordozókártyák összekacsolása is.

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 4

4. ábra A TESTMESH TMA 100 egység felépítése

 
Az egyes rendszerelemek közötti dedikált nagy sebességű kommunikációs csatorna lehetőséget biztosit, az egyes FPGA-k processzoros alrendszereinek összekapcsolására oly módon, hogy a 4 FPGA egymás címtereit transzparens módon elérheti. Az FPGA-ban lévő nagy sebességű kommunikációs interfész fejlesztésében Szántó Péter (FPGArt Kft.) segédkezett.

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 5

5. ábra A termék felülről, az Application Board, és a kimeneti csatlakozók

 
A Base Unit a rendszer központi eleme. Ez tartja a kapcsolatot a PC-alapú vezérlőszoftverrel, 1 Gigabites Ethernet és OCULINK (PCIe × 4) kapcsolaton keresztül. A PCIe kapcsolat segítségével max. kb. 20 Gbit/s adatátviteli sebesség valósítható meg a PC és a tesztrendszer között, amely segít a nagy méretű hullámformák fel- és letöltésében.

A Base Unit-on foglalnak helyet a főbb virtuális műszerek:

  • 4 darab digitálisan programozható, kiszajú tápegység,
  • programozható áramreferencia,
  • programozható feszültségreferencia,
  • 64 csatornás, nagy sebességű, szintillesztővel rendelkező, digitális be-/kimenet (add-on PCB),
  • egy PMU egység (add-on PCB).

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 6

6. ábra A Base Unit renderelt képe

 

A Waveform Unit felépítése nagymértékben hasonló, csak a perifériák mások. A kártyán 4 × 14 bites 500 MSPS DAC mint hullám­forma-generátor, a hozzá tartozó nagy teljesítményű erősítőkkel, valamint egy 12-Bit, 125-MSPS ADC foglal helyet. Minden egyes Waveform kártyán egy PMU add-on is helyet kapott.

 

A PMU (parametrikus mérőegység) felépítése

A rendszerbe épített négy PMU egység a mérőrendszer lelke, amely képes széles tartományban precíziós feszültség és áram mérésére. Az egyes PMU egységek dinamikusan kapcsolhatók az Application Board-on található relék segítségével az egyes kimeneti csatornákhoz. A tervezés érdekessége, hogy több egymásnak ellentmondó követelménynek kellett megfelelni.

  • Nagy mérési tartomány (1 uA – 1 A), dinamikus átkapcsolással,
  • nagyon kicsit szivárgó áram, (nA tartomány),
  • nagy sebességű (áram-) mérés (min. 100 Mhz sávszélesség).

 

PCB FPGA SOM termékfejlesztés 7

7. ábra A PMU kártya

  

Konklúzió

Az FPGA-alapú System-on-Module (SoM) tervek egyre népszerűbbé váltak az elmúlt években rugalmasságuk, alacsony energiafogyasztásuk és nagy teljesítményük következtében. Ezek a tervek jellemzően egyetlen modulba integrált FPGA-chipből, DDR és konfigurációs memóriából, valamint integrált tápellátásból állnak. A cikkben bemutatott példából jól látható, hogy az FPGA-alapú SoM-tervek hatékony és sokoldalú megoldást jelentenek a nagy komplexitást igénylő alkalmazások széles skálájához, megkönnyítve a termékfejlesztést, és csökkentve a piacra jutási időt.
A TESTMESH TMA 100 egység megalkotásához öt áramkör párhuzamos fejlesztése volt szükséges, amelyet a Budapesti székhelyű PCB Design Kft. mérnökei végeztek. A PCB Design szlogenje „Az ötlettől a megvalósulásig” – nem csak önálló áramkörök tervezésében nyilvánul meg. A cég fő fókusza a legmagasabb hozzáadott értékű iparágak termékfejlesztései, amelyek magukba foglalják a komplex digitális áramkörök tervezését, a hőtani és elektromos szimulációt, a gépészeti tervezést, kis szériás prototípusgyártást és beágyazott szoftverfejlesztést is.

A cikkben bemutatott eredmények részben az Európai Unió Horizon 2020 kutatási és innovációs programjának a 872614 számú támogatási szer­ződéséből – SMART4ALL: Selfsustained Cross- Border Customized Cyberphysical System Experiments for Capacity Building among European Stakeholders címen – származó keretekből kerültek kifejlesztésre és megvalósításra.

 

PCB Design Kft.
1117 Budapest,
Infopark sétány 3. B. ép. 6. em.
www.pcbdesign.hu

 

#299d8f