Gleichzeitig erfordern sich entwickelnde Standards, neue Märkte und sich wandelnde Trends deutlich mehr Agilität und Reaktionsfähigkeit im Designprozess. Designer müssen nicht nur wesentlich komplexere Systeme entwickeln, sondern auch in der Lage sein, schnell neue oder abgeleitete Designs zu generieren.
Angesichts der immensen Anforderungen an Designteams wäre es logisch, Entwicklungszeit und -ressourcen zu erhöhen. In der Praxis geschieht jedoch das Gegenteil. Kürzere Entwicklungszeiten erfordern, dass sie in deutlich kürzerer Zeit fortschrittlichere und agilere Systeme entwickeln. Erschwerend kommt hinzu, dass Budgetkürzungen viele Designteams zu Personalabbau statt -erweiterung zwingen. Ein neuer und effizienterer Weg, um schnell anpassungsfähige, funktionsreiche und leistungsstarke Produkte bereitzustellen, ist der Schlüssel zu ihrem zukünftigen Erfolg.
Eine neue Lösung entsteht:
Die Etablierung des ARM-Prozessors als dominierende Plattform für eingebettete Systeme bietet Entwicklern einen echten Vorteil. Noch vor wenigen Jahren war der Prozessormarkt stark fragmentiert; PowerPC-, RISC-, MIPS- und SPARC-Prozessoren konkurrierten um breite Akzeptanz. Der Markt ist inzwischen ausgereift, und viele Kunden haben den ARM-Prozessor als De-facto-Standard (Abbildung 1) für eingebettete Anwendungen eingeführt. Infolgedessen ist die Anzahl ARM-basierter Lösungen gestiegen – von Standardprodukten über ARM-Software-IP-Cores bis hin zu Hardware-IP für die Implementierung in programmierbarer Logik und ASICs.
Dennoch erfüllen die Implementierungsmöglichkeiten eingebetteter Systeme die Anforderungen moderner Designs nur unzureichend. Die Implementierung von Multichip-Lösungen ist zwar relativ einfach, aber teuer und bietet oft nicht die Flexibilität und das optimale Leistungs-Nutzen-Verhältnis, die Entwickler benötigen. Auch die Implementierung von Single-Chip-Lösungen mit Software-Prozessorkernen ist relativ unkompliziert, ihre Leistung jedoch begrenzt. Am anderen Ende des Spektrums bieten ASIC-basierte SoCs mit eingebetteten ARM-Hardwarekernen ein hervorragendes Maß an Energieverbrauch, Leistung und Optimierung, ihre Kommerzialisierung verläuft jedoch aufgrund der Entwicklungszeiten langsam, sie sind unflexibel und für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen zu teuer.
Um wettbewerbsfähig zu sein, benötigen Entwickler eingebetteter Systeme eine Option, die es ihnen ermöglicht, hochdifferenzierte Produkte mit einem deutlich höheren Maß an Flexibilität und Effizienz zu entwickeln.
FPGA-Implementierungen auf einem einzigen Chip bieten mit ihren geringen Kosten und der kurzen Markteinführungszeit eine attraktive und intuitive Alternative zu Multi-Chip- und ASIC-basierten SoC-Lösungen. Tatsächlich hat die Nutzung eingebetteter Prozessoren auf FPGAs im letzten Jahrzehnt kontinuierlich zugenommen (Abbildung 2). Allerdings sind nicht alle FPGA-basierten Lösungen für die heutigen hohen Anforderungen geeignet. Traditionell wurden FPGA-basierte ARM-Systeme mit HDL-basierten „Soft“-ARM-Kernen implementiert. Diese Methode ist eine praktikable Option für Systeme ohne gravierende Einschränkungen hinsichtlich Dichte, Stromverbrauch oder Leistung, genügt aber möglicherweise nicht den Anforderungen wettbewerbsintensiver Systeme. Für eine wachsende Zahl von Systemen bietet die Kombination eines hochoptimierten Hardware-ARM-Kerns mit einer FPGA-Plattform eine überlegene Lösung.
Dank der jüngsten Fortschritte in der FPGA-Technologie von Anbietern wie Altera ist diese neue Art von SoC-Bausteinen entstanden, die die für anspruchsvolle Embedded-Systeme benötigten Funktionen bieten. Diese ARM-basierten SoC-FPGAs vereinen einen ARM-Hardwareprozessor, Speichercontroller, Peripheriegeräte und eine anpassbare FPGA-Architektur in einem einzigen SoC.
Das ARM-basierte FPGA mit SoC (siehe Abbildung 3) ist perfekt in ein Hardware-Prozessorsystem (HPS) mit integriertem FPGA integriert. Das HPS, bestehend aus Dual-Core-ARM-Prozessor, Multiport-Speichercontroller und diversen Peripheriegeräten, erreicht eine Leistung von bis zu 4.000 MIPS (Dhrystones 2.1 Benchmark) bei einem Stromverbrauch von unter 1,8 W. Diese Hardware-IP-Blöcke bieten hohe Leistung bei geringem Stromverbrauch und niedrigen Kosten und schaffen gleichzeitig Logikressourcen für die Produktdifferenzierung. Der Entwickler kann die integrierte FPGA-Struktur anpassen, um anwendungsspezifische Logik zu erstellen. Die Programmierbarkeit ermöglicht die flexible Anpassung von Designs an neue oder sich entwickelnde Kommunikationsstandards und Netzwerkprotokolle sowie die Feinabstimmung ihrer Leistung.
Anwendungsbeispiel: Antriebe der nächsten Generation.
In einem herkömmlichen Steuerungsdesign (Abbildung 4a) würde ein digitaler Signalprozessor (DSP) für die Kernsteuerungsfunktionen, ein Netzwerk-ASIC für die Netzwerkprotokolle und ein FPGA für zusätzliche Funktionen (in diesem Fall zur I/O-Erweiterung) verwendet. Im Gegensatz dazu sind diese drei Elemente in einer FPGA-basierten Implementierung mit einem SoC auf einem einzigen Chip integriert (Abbildung 4b). Die Implementierung des FPGA auf dem SoC erweitert zudem die bestehende Funktionalität durch die Unterstützung mehrerer Motoren, mehrerer Netzwerkprotokolle und Sicherheits-IP. Dadurch wird sichergestellt, dass die Steuerung sicher stoppt und die aktuellen Sicherheitsstandards der Branche erfüllt.
Die Ein-Chip-Lösung bietet deutliche Verbesserungen hinsichtlich Leistung und Energieverbrauch. In einem Steuerungssystem ist die Regelkreisgeschwindigkeit der kritischste Leistungsparameter. Das FPGA mit SoC erhöht die Regelkreisgeschwindigkeit im Vergleich zur Mehrchip-Lösung um das 20-Fache und reduziert sie von 100 µs auf 5 µs. Dies führt zu einer bemerkenswerten Verbesserung der Energieeffizienz, die bis zu 90 % der gesamten Betriebskosten ausmachen kann. In diesem Beispiel wird der Stromverbrauch des SoC auf 37 % niedriger geschätzt als der eines vergleichbaren Drei-Chip-Systems.
Die FPGA-on-a-Chip-Lösung senkt die Gesamtsystemkosten durch Integration und erweiterte Systemfunktionalität. Durch die Kombination von drei oder mehr Komponenten auf einem einzigen Chip lässt sich die Materialkostenstruktur des Systems reduzieren. In diesem Fall verringert sich die Leiterplattengröße durch die SoC-Implementierung um 57 %. Darüber hinaus lässt sich eine höhere Funktionalität zu geringeren Kosten realisieren. Der SoC in diesem Beispiel unterstützt zwei Motoren, während die Multi-Chip-Option nur einen Motor unterstützt. Die kombinierte Unterstützung zweier Motoren auf einem einzigen Chip führt zu einer Kostenersparnis von 53 % im Vergleich zur Verdopplung der Multi-Chip-Konfiguration für jeden Motor. Die Größe des SoC mit dem FPGA lässt sich zudem problemlos skalieren, um noch mehr Systeme für die integrierte Motorsteuerung und verschiedene Protokolle zu unterstützen.
Ein entscheidender Punkt:
Entwicklungsteams, die FPGA-basierte SoC-Technologie nutzen, profitieren von deren signifikanter Produktivität und Wettbewerbsvorteilen. Die Hardware-IP-Elemente bieten höchste Leistung, geringsten Stromverbrauch und maximale Dichte, während die integrierte FPGA-Architektur die Möglichkeit bietet, Funktionalitäten während der Entwicklungsphase oder im laufenden Betrieb schnell zu differenzieren, zu erweitern und/oder anzupassen. Die feldprogrammierbare Plattform ermöglicht es dem Entwicklungsteam zusammen mit hochautomatisiertem Design, robustem Support und Softwareentwicklungstools, einen kundenspezifischen SoC mit Standardbauteilen in deutlich kürzerer Zeit als bei ASICs oder Multi-Chip-Systemen zu entwickeln. Das resultierende Design ist flexibel, skalierbar und wiederverwendbar. So kann das Team schnell auf neue Märkte, sich ändernde Standards und schnellere Fertigungsprozesse reagieren und Produkte mit langer Lebensdauer bereitstellen.
Mit dem Aufkommen FPGA-basierter SoCs wurde ein entscheidender Punkt erreicht: Sie stellen im Vergleich zu herkömmlichen Designoptionen für aktuelle Embedded-Systemanwendungen eine praktikable und vorteilhafte Lösung dar. Diese Leistungsfähigkeit ermöglicht es Entwicklern nicht nur, selbst anspruchsvollste Implementierungsherausforderungen zu meistern, sondern auch Vorteile hinsichtlich Markteinführungszeit, Preis-Leistungs-Verhältnis, Produktdifferenzierung und Langlebigkeit zu erzielen.
Autor:
Todd Koelling, Leiter der Embedded-Produkte bei Altera
