Al contempo, l'evoluzione degli standard, i mercati emergenti e le tendenze in continuo cambiamento richiedono maggiore agilità e reattività durante il processo di progettazione. I progettisti non solo devono creare sistemi molto più complessi, ma devono anche essere in grado di generare rapidamente progetti nuovi o derivati.
Date le immense pressioni a cui sono sottoposti i team di progettazione, l'approccio logico sarebbe quello di aumentare i tempi e le risorse di sviluppo, ma in pratica sta accadendo il contrario. Tempistiche più brevi li obbligano a produrre sistemi più avanzati e agili in tempi significativamente più ridotti. A complicare ulteriormente la situazione, i tagli al budget stanno costringendo molti team di progettazione a ridimensionarsi anziché espandersi. Un metodo nuovo e più efficiente per fornire rapidamente prodotti adattabili, ricchi di funzionalità e ad alte prestazioni è fondamentale per il loro successo futuro.
Emerge una nuova soluzione:
uno sviluppo di mercato davvero vantaggioso per i progettisti è l'affermazione del processore ARM come piattaforma dominante per i sistemi embedded. Solo pochi anni fa, il mercato dei processori era altamente frammentato, con processori PowerPC, RISC, MIPS e SPARC in competizione per un'ampia diffusione. Il mercato è maturato e molti clienti hanno adottato il processore ARM come standard di fatto (Figura 1) per le applicazioni embedded. Di conseguenza, il numero di soluzioni basate su ARM è cresciuto, spaziando da prodotti standard a core IP software ARM fino a IP hardware per l'implementazione in logica programmabile e ASIC.
Ciononostante, le opzioni di implementazione offerte dai sistemi embedded non sono sufficienti, o lo sono a malapena, per soddisfare i moderni requisiti di progettazione. Implementare soluzioni multichip è relativamente semplice, ma sono costose e spesso mancano della flessibilità e del rapporto potenza/prestazioni di cui i progettisti hanno bisogno. Allo stesso modo, implementare soluzioni single-chip utilizzando core di processori software è relativamente semplice, ma le loro prestazioni sono limitate. All'altro estremo dello spettro, i SoC basati su ASIC con core hardware ARM integrati offrono livelli eccellenti di consumo energetico, prestazioni e ottimizzazione, ma la loro commercializzazione è lenta a causa dei tempi di sviluppo, sono poco flessibili e troppo costosi per la stragrande maggioranza delle applicazioni.
Per essere competitivi, gli sviluppatori di sistemi embedded necessitano di un'opzione che consenta loro di sviluppare prodotti altamente differenziati con livelli di flessibilità ed efficienza nettamente superiori.
Le implementazioni FPGA a chip singolo, grazie al loro basso costo e ai rapidi tempi di commercializzazione, offrono un'alternativa interessante e intuitiva alle opzioni SoC multi-chip e basate su ASIC. Infatti, nell'ultimo decennio abbiamo assistito a una crescita continua nell'utilizzo di processori embedded su FPGA (Figura 2). Tuttavia, non tutte le soluzioni basate su FPGA sono adatte alle esigenze odierne. Tradizionalmente, i sistemi ARM basati su FPGA sono stati implementati utilizzando core ARM "soft" basati su HDL. Questo metodo è un'opzione valida per sistemi senza vincoli stringenti in termini di densità, consumo energetico o prestazioni, ma potrebbe non soddisfare le esigenze di sistemi più competitivi. Per un numero crescente di sistemi, la combinazione di un core ARM hardware altamente ottimizzato su una piattaforma FPGA offre una soluzione superiore.
Grazie ai recenti progressi nella tecnologia FPGA di fornitori come Altera, è emerso questo nuovo tipo di dispositivo SoC, che offre le funzionalità richieste dalle applicazioni di sistemi embedded più esigenti. Questi SoC FPGA basati su ARM combinano un processore hardware ARM, controller di memoria, periferiche e una struttura FPGA personalizzabile in un unico SoC.
L'FPGA basato su ARM con SoC (come mostrato in Figura 3) è perfettamente integrato in un sistema di elaborazione hardware (HPS) con FPGA integrato. L'HPS, che include il processore ARM dual-core, il controller di memoria multiporta e diverse periferiche, offre prestazioni fino a 4.000 MIPS (benchmark Dhrystones 2.1) con un consumo inferiore a 1,8 W. Questi blocchi IP hardware offrono elevate prestazioni con basso consumo energetico e costi contenuti, liberando al contempo risorse logiche per la differenziazione del prodotto. Il progettista può personalizzare la struttura FPGA integrata per creare logiche specifiche per l'applicazione. La programmabilità offre la flessibilità necessaria per adattare i progetti a standard di comunicazione e protocolli di rete nuovi o in evoluzione, nonché per ottimizzarne le prestazioni.
Esempio applicativo: l'azionamento di nuova generazione.
In una progettazione di controllo convenzionale (Figura 4a), un processore di segnale digitale (DSP) verrebbe utilizzato per le funzioni di controllo principali, un ASIC di rete per i protocolli di rete e un FPGA per alcune funzionalità aggiuntive (in questo caso, per l'espansione I/O). Al contrario, in un'implementazione basata su FPGA con un SoC, questi tre elementi sono integrati su un singolo chip (Figura 4b). L'implementazione dell'FPGA sul SoC migliora anche le funzionalità esistenti consentendo il supporto di più motori, più protocolli di rete e IP di sicurezza, garantendo che il controller si arresti in sicurezza e soddisfi i nuovi standard di sicurezza del settore.
La soluzione a chip singolo offre miglioramenti significativi in termini di prestazioni e consumo energetico. In un sistema di controllo, la velocità del ciclo di controllo è il parametro più critico per le prestazioni. L'FPGA con SoC aumenta la velocità del ciclo di controllo di 20 volte rispetto alla soluzione multi-chip, riducendola da 100 µs a 5 µs. Ciò si traduce in un notevole miglioramento dell'efficienza energetica, che può rappresentare fino al 90% del costo operativo totale. In questo esempio, il consumo energetico del SoC è stimato essere inferiore del 37% rispetto a quello della sua controparte a tre chip.
La soluzione FPGA-on-a-chip riduce il costo complessivo del sistema grazie all'integrazione e all'aumento delle funzionalità. Combinando tre o più dispositivi su un singolo chip, è possibile ridurre la distinta base del sistema. In questo caso, anche l'ingombro sulla scheda si riduce del 57% grazie all'implementazione del SoC. Inoltre, è possibile ottenere maggiori funzionalità a un costo inferiore. Il SoC in questo esempio supporta due motori, mentre l'opzione multi-chip ne supporta solo uno. Il supporto combinato per due motori su un singolo chip si traduce in un risparmio sui costi del 53% rispetto al raddoppio della configurazione multi-chip per ciascun motore. Le dimensioni del SoC con FPGA possono inoltre essere facilmente scalate per supportare un numero ancora maggiore di sistemi per il controllo integrato dei motori e molteplici protocolli.
Un punto cruciale:
i team di progettazione che utilizzano la tecnologia SoC basata su FPGA possono sfruttare appieno la sua significativa produttività e i vantaggi competitivi che offre. Gli elementi IP hardware garantiscono le migliori prestazioni, il minor consumo energetico e la massima densità possibile, mentre l'architettura FPGA integrata consente di differenziare, ampliare e/o personalizzare rapidamente le funzionalità durante la fase di progettazione o sul campo. La piattaforma programmabile sul campo, unitamente a una progettazione altamente automatizzata e a un supporto robusto, nonché a strumenti di sviluppo software, permette al team di progettazione di sviluppare un SoC personalizzato utilizzando componenti standard in tempi molto più brevi rispetto a quelli richiesti per ASIC o dispositivi multi-chip. Il progetto risultante è flessibile, scalabile e riutilizzabile, consentendo al team di adattarsi e rispondere rapidamente a nuovi mercati, standard in evoluzione e nodi di processo più veloci, nonché di mantenere prodotti con una lunga durata operativa.
Con l'avvento dei SoC basati su FPGA, si è raggiunto un punto critico, in quanto rappresentano una soluzione valida e vantaggiosa rispetto alle opzioni di progettazione convenzionali per le attuali applicazioni di sistemi embedded. Questa potente capacità consente ai progettisti non solo di superare le pressioni delle sfide di implementazione più impegnative, ma anche di ottenere vantaggi in termini di time to market, rapporto prezzo/prestazioni, differenziazione del prodotto e longevità.
Autore:
Todd Koelling, responsabile dei prodotti embedded presso Altera
