¿Por qué utilizar un SoM FPGA para diseños de sistemas FPGA?

La demanda de FPGA aumenta con la expansión de aplicaciones como centros de datos, computadoras de alto rendimiento, imágenes médicas, trazados precisos, materiales especializados para placa CI, limitaciones de factor de forma y gestión térmica. Antes, los diseñadores de hardware optaban por una arquitectura "chip-down", seleccionando dispositivos de silicio específicos y desarrollando una placa de circuito totalmente personalizada para la aplicación. Si bien este enfoque permite una aplicación muy optimizada, requiere un tiempo y un costo de desarrollo considerables para alcanzar la fase de producción. Para ahorrar tiempo y gastos, los equipos de diseño se plantean ahora soluciones más integradas, como los módulos multichip (MCM), los sistemas en paquete (SiP), las computadoras de placa única (SBC) o los sistemas en módulos (SoM).

El mercado de SoM FPGA se está expandiendo rápidamente, lo que permite a una gama más amplia de usuarios adoptar plataformas basadas en FPGA. Estos SoM se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones gracias a su arquitectura adaptable y su diseño fácil de usar.

Descripción general del sistema FPGA en módulo

Un SoM FPGA es un módulo de cálculo compacto diseñado para integrarse en sistemas más grandes, a diferencia de las computadoras de placa única independientes. Incluye componentes esenciales como memoria DDR de alta velocidad, almacenamiento Flash, gestión de energía, controladores de interfaz comunes y software de paquete de soporte para placa (BSP), además de compatibilidad con bloques transceptores de alta velocidad y múltiples protocolos de comunicación como Ethernet, USB y PCIe.

El enfoque SoM aporta ventajas significativas al ofrecer un módulo prefabricado y probado previamente con piezas de computación y software básicos, lo que acelera el tiempo de desarrollo, reduce los costos y simplifica el aprovisionamiento de componentes. Esto permite a los equipos de I+D centrarse en las necesidades específicas de su Empresa, lo que da lugar a ciclos de diseño más predecibles y mejores resultados empresariales. Además, los SoM ofrecen escalabilidad y flexibilidad, lo que facilita la actualización o modificación de componentes sin necesidad de revisar todo el sistema. Al aprovechar los SoM, las empresas pueden lanzar productos al mercado con mayor rapidez, reducir el riesgo de errores de diseño y mejorar la eficiencia general, lo que la convierte en una solución atractiva para diversas aplicaciones avanzadas.

Plazo de comercialización

Un enfoque basado en SoM reduce significativamente el tiempo de desarrollo, lo que permite una comercialización más rápida. Dado que los SoM han sido probados y cualificados previamente por fabricantes como iWave, los diseñadores pueden integrar estos módulos en sus productos más rápidamente y con menos errores. Esta validación previa garantiza que los módulos cumplen altos niveles de fiabilidad y rendimiento, lo que elimina la necesidad de realizar exhaustivas pruebas internas y solucionar problemas. Al aprovechar los SoM, las empresas pueden agilizar sus ciclos de desarrollo, reduciendo el tiempo y los recursos dedicados a los procesos de diseño y validación (Figura 1). Esto les permite centrarse en sus propuestas de valor únicas y en sus competencias básicas, en lugar de estancarse en las complejidades de la integración de sistemas. La naturaleza modular de los SoM también aporta flexibilidad al proceso de diseño, ya que permite realizar cambios y ajustes incluso en las últimas fases de desarrollo sin necesidad de realizar grandes modificaciones.

Figura 1: El uso de SoM puede reducir considerablemente el tiempo de diseño y acelerar la comercialización. (Fuente de la imagen: iWave)

Costo y complejidad del desarrollo

La utilización de un SoM listo para la producción y cualificado reduce significativamente la complejidad del diseño de sistemas FPGA. Al integrar los SoM probados previamente en el desarrollo de productos, las empresas mitigan los riesgos asociados a los errores de diseño de hardware y los problemas de compatibilidad. Este planteamiento no sólo acelera la comercialización, sino que también reduce los costos generales de desarrollo y cualificación. Los SoM se someten a rigurosos regímenes de pruebas, incluidas estrictas pruebas de compatibilidad electromagnética (CEM) y diversas pruebas de estrés ambiental, como ciclos térmicos y envejecimiento. Estas pruebas garantizan que los módulos pueden soportar condiciones de funcionamiento adversas y mantener un rendimiento fiable, lo que reduce al mínimo la necesidad de extensas pruebas internas y los esfuerzos de validación.

Modularidad y escalabilidad del producto

Una de las principales ventajas de adoptar un enfoque basado en SoM para las soluciones de Sistema en chip (SoC) FPGA es la mejora de la modularidad y la escalabilidad. Los SoM están diseñados para admitir un amplio rango de densidades lógicas de FPGA, configuraciones de E/S y capacidades de transceptores. Esta flexibilidad permite a los diseñadores de productos seleccionar un SoM adecuado que se ajuste a los requisitos específicos de su aplicación sin necesidad de rediseñar toda la arquitectura de hardware. Por ejemplo, una única arquitectura de placa base puede albergar distintas configuraciones de SoM, desde FPGA más pequeñas con funcionalidades básicas hasta FPGA más grandes y complejas con capacidades de procesamiento avanzadas. Esta modularidad facilita la escalabilidad sin fisuras y la preparación para el futuro de los diseños, permitiendo actualizaciones sencillas a nuevas generaciones de FPGA o funcionalidades adicionales a medida que evolucionan las demandas del mercado.

Figura 2: Un SoC FPGA ofrece mejor modularidad y escalabilidad. (Fuente de la imagen: iWave)

Cadena de suministro y gestión del ciclo de vida de los productos

La gestión de la cadena de suministro de sistemas basados en FPGA implica la coordinación de multitud de componentes procedentes de diversos proveedores. Un enfoque centrado en la gestión de las compras simplifica esta complejidad al consolidar las responsabilidades de gestión de las compras y la cadena de suministro con los proveedores de gestión de las compras, como iWave. Estos proveedores mantienen relaciones estratégicas con los principales proveedores de componentes y emplean técnicas de previsión proactivas para garantizar una disponibilidad de suministro constante y unos precios competitivos. Esta gestión proactiva reduce los tiempos de entrega, minimiza los riesgos de aprovisionamiento y optimiza la gestión del inventario, contribuyendo en última instancia al ahorro de costos y a la eficiencia operativa de las empresas.

Figura 3: Un enfoque centrado en la GdS simplifica la complejidad al consolidar las responsabilidades de gestión de las compras y la cadena de suministro. (Fuente de la imagen: iWave)

La gestión eficaz del ciclo de vida del producto (PLM) es crucial para mantener la longevidad y competitividad de los productos basados en FPGA. Los proveedores de SoM desempeñan un papel fundamental en este aspecto al supervisar continuamente la obsolescencia de los componentes y las tendencias del mercado. Actualizan de forma proactiva los diseños de SoM y los paquetes de software para incorporar nuevas funciones, mejoras y parches de seguridad. Este enfoque proactivo mitiga los riesgos asociados a los anuncios de fin de vida de los componentes, garantizando la continuidad del producto y minimizando la interrupción de las operaciones del cliente. Al confiar las responsabilidades de PLM a los proveedores de SoM, las empresas pueden centrar sus recursos internos en la innovación y las competencias básicas, en lugar de gestionar la dinámica de la cadena de suministro y mitigar los riesgos del ciclo de vida de los productos.

Ventajas para los desarrolladores de software

El desarrollo de software para sistemas basados en FPGA puede racionalizarse y acelerarse mediante SoM. Estos módulos vienen equipados con paquetes de soporte para placa (BSP) validados previamente y diseños de referencia, lo que proporciona un entorno de desarrollo de software estable y estandarizado. Los desarrolladores pueden aprovechar estos recursos para agilizar el desarrollo de software de aplicaciones sin las complejidades de adaptar el software a distintas configuraciones de hardware. Este enfoque no solo reduce los ciclos de desarrollo, sino que también mejora la fiabilidad y compatibilidad del software, lo que permite a los desarrolladores centrarse en optimizar el rendimiento y la funcionalidad de las aplicaciones.

iWave ofrece una cartera de SoM diversa y completa en colaboración con proveedores líderes de FPGA como AMD, Altera y Achronix. Esta asociación garantiza a iWave un acceso temprano a las tecnologías FPGA más avanzadas, lo que les permitirá desarrollar un amplio rango de SoMs y módulos comerciales en serie (COTS) adaptados a las distintas necesidades de las aplicaciones. Por ejemplo, en la serie Zynq UltraScale+ de AMD, iWave proporciona múltiples opciones como iW-RainboW-G35M, iW-RainboW-G30M e iW-RainboW-G47M, cada una de las cuales ofrece diferentes configuraciones adecuadas para diferentes requisitos de rendimiento. Del mismo modo, con Altera y Achronix, iWave ofrece SoM como la FPGA iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC y la SoM iW-RainboW-G64M Speedster7T, lo que demuestra su capacidad para atender a diversas plataformas FPGA.

Conclusión:

Además de su cartera de SoM, iWave ofrece a sus clientes una amplia gama de servicios de diseño de FPGA, entre los que se incluyen el diseño de placas del transportista, el desarrollo de FPGA IP, la portabilidad, la personalización, la portabilidad de Linux y Board Support Package (BSP), las certificaciones y el diseño mecánico. Desde su creación en 1999, iWave se ha especializado en ingeniería de sistemas embebidos, prestando servicio a sectores como el industrial, el médico, el de automoción y el de aviónica. Su amplia experiencia en tecnologías FPGA y SoC FPGA les permite ofrecer soluciones sólidas que cumplen las estrictas normas del sector y permiten un desarrollo de productos sin fisuras para su clientela mundial.