Funzionalità Fpga per l’elettronica automotive

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Gli Fpga Spartan-6 Automotive di Xilinx in tecnologia da 45 nm, con logica più estesa, funzionalità I/O integrate più veloci e prestazioni superiori, maggiori risorse di memoria on-chip e funzionalità Dsp in parallelo, rivestono un ruolo fondamentale nella rivoluzione dell’elettronica automotive.

Solo dieci anni fa i sistemi elettronici a bordo di un'autovettura media si potevano facilmente contare sulle dita di una mano. Oggi i produttori di automobili differenziano i propri modelli, oltre che con la cilindrata del motore e il design dell'abitacolo, soprattutto attraverso l'elettronica a bordo, più o meno sofisticata. Gli Fpga della nuova generazione Spartan-6 Automotive di Xilinx in tecnologia da 45 nm, con logica significativamente più estesa, funzionalità I/O integrate più veloci e con prestazioni superiori, con maggiori risorse di memoria on-chip e funzionalità Dsp in parallelo, rivestono un ruolo importante e crescente all'interno di questa rivoluzione nell'elettronica automotive. Xilinx ha introdotto sul mercato con grande successo i propri componenti logici programmabili per le attuali applicazioni automotive. I prodotti Xilinx Automotive sono stati progressivamente sviluppati in oltre quattro processi tecnologici con miglioramenti strutturali dal nodo da 0,35 µm fino ai 90 nm. Allo stesso tempo, essendo estremamente convenienti, hanno aperto la strada per l'adozione degli Fpga dalla prototipazione alla produzione in massa, con una piena qualificazione secondo lo standard Aec-Q100. I dispositivi sono disponibili in due varianti di temperature: da -40°C fino a +100°C per la classe I, e fino a +125°C per la versione in classe Q. Xilinx è certificata secondo gli standard ISO-TS16949, ISO-9001 e ISO-14001.

Qualificati per l'automotive
Xilinx offre ora alcune combinazioni selezionate di alloggiamenti degli Fpga della generazione Spartan 6 in un processo di fabbricazione da 45 nm. Esse rispondono all'esigenza crescente di prestazioni di elaborazione più spinte, di una maggiore larghezza di banda e di standard I/O più veloci a costi più bassi. Anche i nuovi Fpga della generazione Spartan 6 sono pienamente qualificati in base ai requisiti delle applicazioni automotive. La quinta generazione si estende dalla versione LX4 (4.800 Flipflop, otto Slice DSP48A1 e 216 KB di Ram a blocchi) fino alla versione LX75, con prestazioni da 14 a 20 volte superiori con 93.296 Flipflop, Slice 132 DSP48A1 e 3.096 KB di Ram a blocchi. Questa scalabilità nelle risorse di logica, Dsp e di memoria è ottenuta attraverso versioni compatibili nei pin con inoltre quattro versioni di densità di memoria nello stesso alloggiamento. Oltre a ciò, Xilinx Automotive offre per la prima volta i componenti con il blocco terminale Pci Express, con lo strato fisico e fino a quattro transceiver Gtp. A questo proposito sono offerti tre componenti derivati dalla famiglia LXT con tali risorse aggiuntive: LX25T, LX45T e LX75T. Il processo molto avanzato di fabbricazione dei dispositivi LX offre agli utenti risorse funzionali significative su una superficie del chip relativamente piccola, pur con un'efficienza molto spinta nei costi. Allo stesso tempo, la tecnologia di packaging soddisfa le condizioni al contorno della tecnologia automotive e i suoi requisiti di qualità. Questi package sono perciò offerti sia nell'opzione con ball pitch da 0,8 mm, sia nell'opzione da 1,0 mm, per requisiti di I/O da 132 fino a 316 collegamenti I/O.  Un'ulteriore peculiarità è costituita dalle connessioni di interfaccia SelectIO per offrire una gamma più ampia di standard di tipo single-ended e differenziali, a partire dal supporto agli I/O da 1,2V fino complessivamente a 3,3V, per una connettività perfetta fra i componenti attraverso un numero inferiore di nodi progressivi. Tutti gli I/O utente sono progettati per essere bidirezionali, e i pin SelectIO sono indicati per gli standard differenziali a bassa tensione fino a 1.050 Mbit/s. Ad ulteriore supporto, anche gli standard di interfaccia più veloci, oltre ai circa 40 standard integrati dei pin SelectIO, offrono fino a 3.125 Gbit/s nella variante LXT, un Pll (Phase locked loop) indipendente per ciascuna coppia trasmettitore/ricevitore oltre alla funzionalità integrata di recupero del segnale di clock e dei dati. Queste velocità di trasmissione dati più alte rispetto ai pin SelectIO sono ottenute attraverso transceiver Gtp dedicati ad alta velocità. I componenti supportano protocolli come Gigabit Ethernet, PCIe, Sata e anche lo standard Apix di Inova. Malgrado questo alto numero di standard di interfacce e la tecnologia di processo molto avanzata, i componenti LX necessitano per l'alimentazione di due barre di alimentazione, rispetto alle tre richieste dalla variante LXT.

La necessità di memoria dell'infotainment
I sistemi di guida assistita, di informazione al conducente o di infotainment, impongono requisiti elevati sulle dimensioni e sulle prestazioni della memoria. Xilinx tiene conto di questi requisiti in due modi: da un lato con lo spazio di archiviazione interno dell'Fpga, dall'altro attraverso la connessione a memorie esterne. Naturalmente gli utenti preferiscono la memoria interna. Questa richiede meno spazio su semiconduttore, da un lato, ed è per questo più conveniente economicamente, e dall'altro lato la larghezza di banda ottenibile è maggiore. Di conseguenza, la proporzione fra la Ram a blocchi e la logica è stata aumentata di circa l'80% rispetto alla generazione precedente di Fpga Spartan 3. Attualmente alcune applicazioni richiedono di gran lunga più spazio di memoria di quanto sia fattibile economicamente on-chip, a causa dell'alta sensibilità ai prezzi delle applicazioni automotive. Si vorrebbe così salvare, attraverso i sistemi di assistenza alla guida basati su video, più fotogrammi video di una videocamera o persino di più videocamere. Anche la risoluzione delle videocamere per applicazioni automotive cresce, ed è ormai presente un sensore a colori integrato. Con ciò, il volume dei dati video si è accresciuto in modo significativo. Per soddisfare tutti questi requisiti in modo economicamente efficiente, le Dram esterne sono difficili da gestire. Per queste funzionalità spinte e per l'accesso conveniente alla memoria dinamica esterna, i componenti della generazione Spartan 6 di Xilinx Automotive offrono due blocchi controllori di memoria sintetizzati su silicio, a partire dalla versione LX9. Ciascun blocco MCB può essere configurato separatamente e supporta nativamente un'ampia gamma di memorie esterne: DDR, DDR2, DDR3 oltre alle DDR a basso consumo. Il bus Dram ammette un'ampiezza di bit di quattro, otto o 16 canali e un'ampiezza di memoria da 128 Mbit fino a 4 Gbit, in relazione a ciascuna combinazione adottata. I componenti Xilinx Automotive supportano velocità di trasmissione dati fino a 800 Mbit/s nelle versioni con classi di temperatura I e Q.

Elaborazione digitale per l'assistenza alla guida
I requisiti sull'elaborazione digitale dei segnali crescono ulteriormente, trainati dai sistemi di assistenza alla guida basati su video. Per questo Xilinx ha dotato i primi dispositivi Spartan 3A DSP Generation con blocchi DSP48A. Essi erano tuttavia disponibili solo in due componenti relativamente grossi della generazione Spartan 3. Per far fronte ai requisiti crescenti dei Dsp, Xilinx offre un blocco DSP48A1 leggermente modificato in tutti i componenti della generazione Spartan 6. Esso fornisce la piena funzionalità Dsp già a partire dai componenti entry level a costi molto contenuti. Ciascuno di questi blocchi Dsp include un pre-addizionatore in ingresso a 18 bit, seguito da un moltiplicatore 18x18 e da un accumulatore a 48 bit per la realizzazione di un'unità completa Mac (Multiply-Accumulate). A partire da otto blocchi DSP48A1 nei componenti LX4, e fino a 132 nei componenti LX75/LX75T, ciò consente di ottenere una velocità di elaborazione dei segnali dell'ordine dei 2 GMAC/s fino a 33 GMAC/s. Tutti i blocchi sono programmabili dall'utente. Di conseguenza l'utente è in grado di sfruttare appieno le prestazioni per il proprio algoritmo specifico basato su software. Questo lo rende indipendente da accelerazioni hardware fisse, che non sempre sono in grado di offrire la funzionalità o la flessibilità necessarie.

Riduzione di consumi ed emissioni
Oggi, ogni fase dello sviluppo finalizzato alla riduzione del consumo di combustibile e delle emissioni di CO2 contribuisce in modo rilevante ai costi di progettazione di un'automobile. Questa tendenza non dà segni di arresto neanche per i sistemi elettronici. I nuovi componenti Spartan 6 di Xilinx Automotive fanno la loro parte nel determinare le riduzioni complessive dei consumi, con una riduzione dal 40 al 50% del consumo di potenza rispetto ai prodotti equivalenti della generazione precedente Spartan-3A. Un aspetto chiave è il passaggio, per quanto riguarda struttura dei chip, dalla tecnologia da 90 nm ai 45 nm, con transistor più piccoli e capacità parassite più ridotte. Le interconnessioni sono più corte, e il dielettrico a basso k fra gli strati di metallizzazione riduce ulteriormente le capacità. I vari blocchi sintetizzati su silicio dei componenti Spartan 6 producono ulteriori riduzioni dei consumi. I prodotti della generazione Spartan 6 di Xilinx Automotive, qualificati secondo lo standard Aec-Q100, saranno disponibili nella seconda metà del 2010 per la produzione in volumi. Con sei densità di memoria, di cui tre opzionali, il supporto ai transceiver PCIe e Gtp sintetizzati su silicio, e quattro diversi tipi di package, la generazione Spartan 6 offre 36 opzioni di scelta a prova di futuro di Fpga compatibili nei pin e scalabili, per l'elettronica automotive di oggi e del futuro.

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