為什么要在 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用 FPGA SoM？

作者：Tawfeeq Ahmad

2024-08-21

隨著數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)成像、精確布局線跡、專用 PCB 材料、外形限制以及熱管理等應(yīng)用的擴(kuò)展，對 FPGA 的需求也在不斷上升。以前，硬件設(shè)計(jì)人員會選擇“芯片向下”架構(gòu)，為應(yīng)用選擇特定硅器件并開發(fā)完全定制的電路板。雖然這種方法可實(shí)現(xiàn)高度優(yōu)化的實(shí)施，但需要大量的開發(fā)時(shí)間和成本才能達(dá)到生產(chǎn)就緒狀態(tài)。為了節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在考慮更加集成的解決方案，例如多芯片模塊 (MCM)、系統(tǒng)級封裝 (SiP)、單板機(jī) (SBC) 或系統(tǒng)級模塊 (SoM)。

FPGA SoM 市場正在迅速擴(kuò)大，使得更多用戶能夠采用基于 FPGA 的平臺。這些 SoM 因其適應(yīng)性強(qiáng)的架構(gòu)和用戶友好的設(shè)計(jì)而在各種應(yīng)用中被廣泛采用。

FPGA 系統(tǒng)級模塊概述

與獨(dú)立的單板機(jī)不同，F(xiàn)PGA SoM 是一種緊湊型計(jì)算模塊，設(shè)計(jì)用于集成到更大的系統(tǒng)中。該模塊包括高速 DDR 內(nèi)存、閃存、電源管理、通用接口控制器和板級支持包 (BSP) 軟件等基本組件，以及對高速收發(fā)器模塊和以太網(wǎng)、USB 和 PCIe 等多種通信協(xié)議的支持。

SoM 方法具有顯著優(yōu)勢，可提供一個(gè)包含核心計(jì)算部件和軟件的預(yù)構(gòu)建、預(yù)測試模塊，從而縮短開發(fā)時(shí)間、降低成本并簡化組件采購流程。這使得研發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)Ｗ⒂?a target="_blank">公司的特定需求，從而帶來更可預(yù)測的設(shè)計(jì)周期和更好的業(yè)務(wù)成果。此外，SoM 還具有可擴(kuò)展性和靈活性，可輕松升級或修改組件，而無需對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。通過利用 SoM，公司可以更快地將產(chǎn)品推向市場，降低設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，并提高整體效率，這使得 SoM 成為對各種先進(jìn)應(yīng)用都極具吸引力的解決方案。

上市時(shí)間

基于 SoM 的方法可大幅縮短開發(fā)時(shí)間，因而上市速度更快。由于 SoM 經(jīng)過 [iWave]等制造商的預(yù)先測試和認(rèn)證，因此設(shè)計(jì)人員能夠更快地將這些模塊集成到產(chǎn)品中，并且錯(cuò)誤也更少。這樣的預(yù)先驗(yàn)證可確保模塊符合高可靠性和性能標(biāo)準(zhǔn)，因而無需再進(jìn)行大量的內(nèi)部測試和故障排除工作。通過利用 SoM，公司可簡化開發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過程所花費(fèi)的時(shí)間和資源（圖 1）。這使得公司能夠?qū)Ｗ⒂谧约邯?dú)特的價(jià)值主張和核心競爭力，而無需糾纏于復(fù)雜的系統(tǒng)集成。SoM 的模塊化特性還可為設(shè)計(jì)過程提供靈活性，即使在開發(fā)的后期階段，也可進(jìn)行更改和調(diào)整，無需進(jìn)行大規(guī)模的返工。

圖 1：使用 SoM 可大幅縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，因而上市速度更快。（圖片來源：iWave）

開發(fā)成本和復(fù)雜性

利用生產(chǎn)就緒且合格的 SoM 可大幅降低 FPGA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。通過將預(yù)測試 SoM 集成到產(chǎn)品開發(fā)中，公司可降低與硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤和兼容性問題相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。這種方法不僅能加快產(chǎn)品上市，而且還能降低整體開發(fā)和認(rèn)證成本。SoM 的測試體系非常嚴(yán)格，其中包括嚴(yán)格的電磁兼容性 (EMC) 測試，以及熱循環(huán)和老化測試等各種環(huán)境應(yīng)力測試。這些測試可確保模塊能夠承受惡劣的工作條件，同時(shí)保持可靠性能，從而最大限度減少對大量內(nèi)部測試和驗(yàn)證工作的需求。

產(chǎn)品模塊性和可擴(kuò)展性

對于 FPGA 片上系統(tǒng) (SoC) 解決方案，采用基于 SoM 的方法的主要優(yōu)勢之一是增強(qiáng)的模塊性和可擴(kuò)展性。SoM 設(shè)計(jì)支持各種 FPGA 邏輯密度、I/O 配置和收發(fā)器功能。這種靈活性使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠選擇符合其特定應(yīng)用要求的合適 SoM，而無需重新設(shè)計(jì)整個(gè)硬件架構(gòu)。例如，單載板架構(gòu)可容納不同的 SoM 配置，從具有基本功能的小型 FPGA 到具有先進(jìn)處理能力、更復(fù)雜的大型 FPGA。這種模塊性對設(shè)計(jì)的無縫可擴(kuò)展性和面向未來的能力有利，可根據(jù)市場需求變化輕松升級到更新一代的 FPGA 或增加其他功能。

供應(yīng)鏈和產(chǎn)品生命周期管理

基于 FPGA 的系統(tǒng)的供應(yīng)鏈管理涉及協(xié)調(diào)從不同供應(yīng)商采購的眾多組件。以 SoM 為中心的方法通過將采購和供應(yīng)鏈管理職責(zé)與 SoM 供應(yīng)商（如 iWave）整合，簡化了這種復(fù)雜性。這些供應(yīng)商可與關(guān)鍵組件供應(yīng)商保持戰(zhàn)略合作關(guān)系，并采用前瞻性的預(yù)測技術(shù)，以確保穩(wěn)定的供應(yīng)能力和有競爭力的定價(jià)。這種前瞻性管理方式可縮短交貨期，最大限度降低采購風(fēng)險(xiǎn)，并優(yōu)化庫存管理，最終有助于公司節(jié)約成本，提高運(yùn)營效率。

高效的產(chǎn)品生命周期管理 (PLM) 對于保持基于 FPGA 的產(chǎn)品的壽命和競爭力至關(guān)重要。SoM 供應(yīng)商通過持續(xù)監(jiān)控組件的淘汰情況和市場趨勢，在這方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。他們會主動(dòng)更新 SoM 設(shè)計(jì)和軟件包，以加入新功能、增強(qiáng)功能和安全補(bǔ)丁。這種前瞻性方法可降低與組件 EOL（壽命終止）公告相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，從而確保無縫的產(chǎn)品連續(xù)性，并最大限度減少對客戶運(yùn)營的干擾。通過將 PLM 職責(zé)委托給 SoM 供應(yīng)商，公司可將內(nèi)部資源集中用于創(chuàng)新和核心競爭力，而不是用于管理供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)和降低產(chǎn)品生命周期風(fēng)險(xiǎn)。

對軟件開發(fā)人員的益處

使用 SoM 可簡化和加速基于 FPGA 的系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程。這些模塊配備預(yù)驗(yàn)證的板級支持包 (BSP) 和參考設(shè)計(jì)，提供了穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)環(huán)境。開發(fā)人員可利用這些資源加快應(yīng)用軟件的開發(fā)，而無需根據(jù)不同硬件配置調(diào)整軟件，從而減少復(fù)雜性。這種方法不僅可縮短開發(fā)周期，而且還可增強(qiáng)軟件的可靠性和兼容性，從而使開發(fā)人員能夠?qū)Ｗ⒂趦?yōu)化應(yīng)用的性能和功能。

iWave 與 AMD、Altera 和 Achronix 等領(lǐng)先 FPGA 供應(yīng)商合作，提供多樣化、全面的 [SoM 產(chǎn)品組合]。這種合作關(guān)系使得 iWave 能夠提前獲得尖端 FPGA 技術(shù)，從而開發(fā)出適合不同應(yīng)用需求的各種 SoM 和商用現(xiàn)成 (COTS) 模塊。例如，在 AMD 的 Zynq UltraScale+ 系列下，iWave 提供多種選擇，例如 iW-RainboW-G35M、iW-RainboW-G30M 和 iW-RainboW-G47M，每種選擇都提供適合不同性能要求的不同配置。類似地，iWave 與 Altera 和 Achronix 合作推出了 iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA 和 iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM 等 SoM，展示了其滿足各種 FPGA 平臺要求的能力。

結(jié)語

除 SoM 產(chǎn)品組合外，iWave 還通過一系列 FPGA 設(shè)計(jì)服務(wù)為客戶提供支持，其中包括載板設(shè)計(jì)、FPGA IP 開發(fā)、移植、定制、Linux 和板級支持包 (BSP) 移植、認(rèn)證以及機(jī)械設(shè)計(jì)。自 1999 年成立以來，iWave 一直專注于嵌入式系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，服務(wù)于工業(yè)、醫(yī)療、汽車和航空電子等行業(yè)。iWave 在 FPGA 和 SoC FPGA 技術(shù)方面擁有豐富的專業(yè)知識，因而能夠提供符合嚴(yán)格行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大解決方案，支持全球客戶實(shí)現(xiàn)無縫產(chǎn)品開發(fā)。

審核編輯 黃宇