12 e 13 Aprile 2022, BolognaFiere

SoC FPGA: l’evoluzione dei dispositivi embedded general purpose

Uno scenario tecnologico firmato da Stefano Zammattia, di Altera.

Generazione dopo generazione, i produttori di semiconduttori utilizzano processi grazie ai quali è possibile ottenere dispositivi sempre più ottimizzati in termini di costo, consumi e funzionalità. Il problema è rappresentato dall’aumento esponenziale dei costi di realizzazione che caratterizza il passaggio da una generazione alla successiva. Per recuperare gli investimenti effettuati sono due le alternative percorribili:

  • vendere i dispositivi in alti volumi, per applicazioni di massa (come telefoni mobili o tablet)
  • creare dispositivi generici ricchi di funzionalità che possono soddisfare i requisiti applicativi di un gran numero di mercati di sbocco

La prima opzione non è esente da rischi: i costruttori devono fornire le caratteristiche desiderate nei tempi previsti e a un prezzo adeguato. Perdere un’opportunità di questo tipo può rivelarsi un vero disastro finanziario anche per le aziende di grandi dimensioni. La seconda opzione appare più sicura ma l’aggiunta di numerose funzionalità a un dispositivo, anche se non utilizzate dal cliente finale, contribuisce ad aumentare costi e consumi di potenza.

Una volta sviluppata la prossima generazione di dispositivi, oppure nel momento in cui le risorse finanziarie tendono a ridursi, i costruttori si trovano costretti a cessare l’azione di supporto o persino rendere obsolete le versioni del dispositivo che non hanno riscosso successo commerciale. Poiché gli standard industriali e i requisiti di mercato variano a una velocità ancora maggiore, è necessario aggiornare di frequente entrambe le tipologie di soluzioni, con conseguente aumento della velocità di obsolescenza. Per gli sviluppatori di sistemi ciò comporta l’insorgere di problemi in termini di costi, ciclo di vita del prodotto e manutenzione, in quanto si trovano a dover ripensare l’architettura dei prodotti sulla base dei nuovi dispositivi.

Più flessibilità e meno costi
SoCBlock
I dispositivi SoC FPGA, dal canto loro, grazie alla presenza di processori ARM di tipo hard e di soluzioni IP integrate nell’FPGA, assicurano la massima flessibilità in tutte le applicazioni che richiedono elevate prestazioni e/o funzionalità particolari. In questo modo gli sviluppatori possono sfruttare la riconfigurabilità dinamica della struttura FPGA per differenziare in modo netto i loro prodotti, evitare le problematiche legate all’obsolescenza e creare una gamma di prodotti che abbinano scalabilità, convenienza e semplicità di manutenzione.

La realizzazione di un’interfaccia IE (Industrial Ethernet) che supporta più standard, per esempio, richiede lo sviluppo di una base dove il modulo IP per Ethernet industriale può essere rimpiazzato in maniera molto semplice per supportare differenti standard. In molti casi non è richiesta la ri-progettazione della scheda, soddisfacendo in tal modo i requisiti della produzione attuale e dando la possibilità (se prevista nel progetto iniziale) di effettuare aggiornamenti sul campo anche dopo il rilascio del prodotto. In molte applicazioni è anche possibile sviluppare una singola scheda che sfrutti le doti di flessibilità dei dispositivi SoC FPGA per realizzare le funzionalità richieste da un certo numero di prodotti finali differenti, garantendo in tal modo un uso più efficiente delle risorse di progettazione, una riduzione dei costi e un aumento del ciclo di vita dei prodotti.

Rispetto alle MCU, i SoC FPGA assicurano una migliore flessibilità in fase di design e offrono maggiori opportunità per differenziare i prodotti. Sebbene i dispositivi MCU possano apparire a prima vista più economici, l’adozione di un FPGA può garantire notevoli risparmi per altre parti del prodotto e nel corso dell’intero ciclo di vita dello stesso. Poiché il mercato richiede l’integrazione di più caratteristiche in tempi sempre più ridotti e i produttori di MCU devono affrontare costi di sviluppo e di supporto in costante crescita, i progettisti potranno sfruttare le potenzialità dei SoC FPGA per fornire soluzioni realmente differenziate, economiche ed equipaggiate con caratteristiche decisamente all’avanguardia.

Attenzione all’applicazione
Per differenziare i propri dispositivi da quelli della concorrenza, i produttori si stanno focalizzando sulla fornitura di dispositivi di tipo application-specific corredati da molte funzionalità destinati a un ristretto numero di applicazioni ad alti volumi. Per mantenere elevato il numero di componenti forniti al di fuori di questi mercati di massa, i costruttori si sono impegnati nella realizzazione di dispositivi di tipo general purpose con numerose funzionalità al fine di soddisfare le esigenze del maggior numero possibile di settori e di applicazioni.

Lo svantaggio di questo approccio è rappresentato dal fatto che l’integrazione di molte funzionalità penalizza i consumi. In altre parole, essi hanno creato un dispositivo SoC che consuma più potenza, è più “generico” e non risulta competitivo, in termini di costi, rispetto a un dispositivo application specific. Anche i dispositivi progettati per una singola applicazione non sono esenti da svantaggi. I requisiti di connettività in campo industriale, ad esempio, variano in continuazione e un dispositivo MCU a un certo punto non sarà più in grado di poter soddisfare le esigenze dell’utilizzatore. L’obsolescenza del prodotto e lo sviluppo del suo sostituto sono problematiche che i costruttori di MCU devono necessariamente affrontare quando cala la domanda di questi dispositivi application-specific. Gli sviluppatori dei sistemi finali, dal canto loro, devono fronteggiare tutte le problematiche legate al ciclo di vita e alla manutenzione in quanto sono costretti a rivedere l’architettura dei progetti basandosi su un nuovo dispositivo.

fpga-closeupAltri vantaggi degli FPGA
Nell’esempio preso in considerazione, ovvero quello della connettività industriale, l’implementazione del protocollo IE richiede solamente l’aggiunta degli stack IP adatti al progetto esistente. In molti casi non è richiesta la ri-progettazione della scheda, soddisfacendo in tal modo i requisiti della produzione attuale e dando la possibilità di effettuare aggiornamenti sul campo. Molti produttori che hanno adottato un approccio di progettazione basato su FPGA spesso sviluppano una singola scheda che soddisfa le esigenze di un certo numero di prodotti finali differenti, garantendo in tal modo un uso più efficiente delle risorse di progettazione, una riduzione dei costi e un aumento del ciclo di vita dei prodotti.

Se in generale le MCU tendono a essere più economiche, il costo della BOM non è l’unico elemento da tenere in considerazione. Così come la convinzione che la configurazione di un FPGA richieda l’introduzione di un numero maggiore di dati di progetto. Un’analisi più globale dei costi e del ciclo di vita del sistema rivela che un approccio alla progettazione basato su FPGA comporta senza dubbio un gran numero di vantaggi.

Laura Baronchelli
Laura Baronchelli