Gli Fpga indispensabili per ridurre i costi di sistema

LOGICHE PROGRAMMABILI –

L’impiego di Fpga a basso costo e ridotta dissipazione, come i componenti della nuova linea Cyclone IV di Altera, contribuisce a ridurre sensibilmente il costo totale di un sistema.

La riduzione dei costi è senza ombra di dubbio uno dei fattori critici nello sviluppo di qualsiasi sistema. La competizione su scala globale e fattori economici hanno contribuito da un lato alla contrazione dei profitti e delle vendite degli odierni prodotti high-tech e dall’altro ad aumentare la pressione sui team di progettazione, obbligati a introdurre sul mercato prodotti sempre più economici. Ai progettisti è affidato l’arduo compito di sfruttare le più recenti tecnologie per creare prodotti sempre più innovativi e accattivanti ed escogitare il modo di ridurre il costo di prodotti già largamente affermati preservando il loro vantaggio competitivo. In ogni caso, essi devono riuscire a conseguire tali obiettivi a fronte di team di progettazione sempre più “snelli” e tempi di sviluppo ridotti. Una strategia di progetto che può contribuire a superare queste problematiche legate allo sviluppo di sistemi e alla riduzione dei costi nel corso dell’intero ciclo di vita dei prodotti è l’impiego di Fpga. Mentre ormai è ampiamente riconosciuto il fatto che gli Fpga permettono di ridurre il time-to-market per lo sviluppo di un nuovo prodotto, non è altrettanto noto che questi stessi componenti consentono di ridurre il costo di possesso (TCO) nel corso del ciclo di vita del prodotto. Nella fase iniziale del ciclo di vita, l’approccio che prevede un progetto basato su Fpga consente lo sviluppo di nuovi prodotti e l’apporto di migliorie ai prodotti della precedente generazione. Quando un prodotto entra nella fase della maturità, gli Fpga permettono allo stesso di evolvere, a fronte di una riduzione sia dei consumi di potenza sia dei costi. Infine, a causa del lungo ciclo di vita degli Fpga, l’utente è in grado di estendere la durata di un prodotto per un periodo superiore a quello tipico dei prodotti a semiconduttore standard.

Transceiver seriali veloci in una struttura a basso costo
Si prendano ad esempio i nuovi Fpga della linea Cyclone IV di Altera. Questa serie viene offerta in due versioni: Cyclone IV E, dotata di I/O standard e Cyclone IV GX, che per la prima volta integra transceiver seriali ad alta velocità in una struttura a basso costo. I transceiver della serie Cyclone IV GX sono stati ottimizzati dal punto di vista dimensionale - in modo da ridurre costi e consumi – ma progettati in modo tale da rendere disponibili più sorgenti di clock provenienti da vari Pll (Phase-Locked-Loop – anelli ad aggancio di fase). Tali sorgenti di clock permettono di ottenere differenti velocità di clock all’interno di un Fpga garantendo maggiore flessibilità per quel che concerne le interfacce di I/O. I transceiver sono stati sviluppati in modo da soddisfare i requisiti di parecchi protocolli che si vanno imponendo in applicazioni di larga diffusione e quindi caratterizzate da volumi elevati (le cosiddette applicazioni mainstream) tra cui Gigabit Ethernet, Cpri, Xaui, 3G Triple Rate Sdi, Serial rapidIO, Sata, DisplayPort e V-by-One. Essi integrano inoltre un supporto IP hard dedicato per Pci Express. I transceiver non sono certamente una novità per un’architettura Fpga: basti considerare che Altera ha iniziato a rendere disponibili prodotti basati su transceiver già nel 2001. A questo punto bisogna però tenere in considerazione il fatto che nelle applicazioni mainstream semplicità e costo sono fattori critici. Nello sviluppo dell’architettura degli Fpga della serie Cyclone IV GX si è tenuto conto di questi fattori, limitando a due il numero degli alimentatori richiesti per un dispositivo. Ciò contribuisce sia a semplificare il layout della scheda sia a ridurre il numero di componenti richiesti per il supporto della rete di distribuzione dell’alimentazione.

La Tv ad alta definizione come esempio applicativo
Si consideri a questo punto un esempio di applicazioni caratterizzata da elevati volumi, come quello relativo a un apparecchio televisivo: in questo caso l’uso di Fpga a basso costo e ridotta dissipazione dotati di transceiver contribuisce a ridurre i costi del sistema totale. Gli apparecchi televisivi ad alta definizione della precedente generazione con risoluzione di 720p utilizzano 16 segnali di I/O Lvds tra il sintonizzatore e le schede del pannello per il trasferimento dei dati. Si tratta di una soluzione capace di soddisfare i requisiti di questo tipo di apparati. I televisioni di ultima generazione (con risoluzione di 1080p e 4k2k/3D, ovvero di 3840 x 2160) richiedono un throughput più elevato che rende ridondante, come si vedrà tra poco, l’interfaccia attuale.

I nuovi requisiti da soddisfare si possono infatti così riassumere:
• supporto per i nuovi standard video come ad esempio 3D;
• immagini a maggior risoluzione (da 720p a 1080p);
• passaggio da colori a 10 a colori a 12 bit;
• incremento delle velocità di refresh fino a 240 Hz;
• necessità di fornire caratteristiche supplementari, mantenendo se non addirittura migliorando le specifiche termiche dell’applicazione.

La maggior ampiezza di banda ha un notevole impatto sull’interfaccia Lvds, in quanto rende necessario l’impiego di 36 I/O Lvds: in questo caso si ipotizza che sia preservata l’architettura di I/O parallela tra il sintonizzatore e le schede del pannello. La maggiore ampiezza dell’interfaccia si traduce in un aumento delle dimensioni della scheda Pcb o del numero di strati della stessa, con conseguenti aggravi in termini di costi e di dissipazione di potenza. La televisione ad alta definizione è divenuta oramai un prodotto di largo consumo, ragion per cui i produttori di trovano nelle condizioni di dover da un lato rendere disponibili sempre nuove funzioni e dall’altro diminuire il costo del prodotto. Un metodo che può essere utilizzato per risolvere questo problema è quello di ridurre il numero di collegamenti a bordo scheda da 36 coppie di I/O Lvds a sole quattro impiegando il nuovo standard per protocolli seriali V-by-One. Queste quattro coppie V-by-One dispongono di un’ampiezza di banda sufficiente a supportare una risoluzione full HD (da 780p a 1080p fino a 4K2K/3D).

Le considerazioni di seguito riportate permettono di evidenziare come il passaggio a un’architettura basata su transceiver consenta ai progettisti sia di incrementare le prestazioni del sistema sia di ridurre i costi:

  • il collegamento fisico tra il sintonizzatore e le schede del pannello è realizzato mediante un cavo flessibile e alcuni connettori. La riduzione del numero di I/O permette ai progettisti di utilizzare un cavo flessibile - e quindi anche connettori - più piccoli ed economici con conseguente riduzione del costo dei materiali richiesti;
  • poiché è necessario eseguire lo sbroglio (routing) di sole 4 tracce invece che 36, il costo della scheda Pcb diminuisce drasticamente: essa risulta infatti essere più piccola, meno complessa e formata da un numero minore di strati;
  • solitamente un maggior numero di I/O richiede l’impiego di Fpga a più elevata densità. La diminuzione del loro numero comporta la possibilità di utilizzare dispositivi programmabili meno densi (quindi di costo inferiore) che richiedono anche uno spazio più ridotto sulla scheda;
  • Gli Fpga della famiglia Cyclone IV richiedono solamente due alimentatori. Ciò si traduce in una semplificazione del layout della scheda, l’utilizzo di un numero minore di regolatori e l’integrazione di un numero inferiore di componenti passivi, con conseguente diminuzione del numero di componenti richiesti;
  • L’impiego di Fpga a più bassa densità, con ridotto numero di I/O ha un impatto positivo sui requisiti di potenza del sistema. Un transceiver tipicamente richiede una potenza inferiore a 150 mW, per cui una porta V-by-One richiederà una potenza minore di 600 mW per le operazioni di I/O. Una riduzione della potenza non ha effetti favorevoli non solamente sulla scheda Pcb, ma anche sulle caratteristiche termiche dell’applicazione. Ciò ancora una volta si traduce in un abbattimento dei costi sia operativi sia del sistema complessivo.


Una scelta di differenziazione
La scelta di un Fpga della serie Cyclone IV consente agli utenti di sfruttare componenti caratterizzati da maggiori risorse – in termine di Dsp e memoria – rispetto quelle disponibili con i componenti la linea Cyclone III: ciò permette di integrare più blocchi IP video e quindi di differenziare maggiormente i loro prodotti rispetto a quelli della concorrenza. L’applicazione fin qui considerata è ovviamente un caso specifico ma è facile comprendere che è possibile ottenere i medesimi vantaggi in altre applicazioni di broadcasting, così come nel settore del controllo industriale, dove stanno iniziando ad emergere le medesime esigenze per quel che riguarda l’ampiezza di banda – e quindi la necessità di disporre di soluzioni dotate di transceiver. Tutti coloro che per la prima volta si apprestano a realizzare progetti che prevedono l’impiego di transceiver possono incontrare alcuni problemi, in quando è necessario prendere in considerazione diversi aspetti: tra questi si possono segnalare il layout di schede ad alta velocità, il progetto di alimentatori e l’integrazione di IP relativi al protocollo. Per semplificare questo processo è necessaria la disponibilità di una struttura di supporto. Gli Fpga della serie Cyclone IV GX condividono molte delle proprietà dei prodotti con transceiver integrati di Altera, in modo che l’utente possa apprendere le modalità di utilizzo una volta sola e sfruttare le conoscenze acquisite in ogni occasione. La famiglia Cyclone IV è inoltre supportata da un gran numero di core IP, tool e progetti di riferimento che contribuiscono a semplificare il progetto della scheda e l’implementazione del protocollo, minimizzando di conseguenza i rischi e il time-to-market. Per questa linea di componenti programmabili Altera mette inoltre a disposizione kit di sviluppo a basso costo e una versione gratuita (Web Edition) del software di progettazione Quartus II, grazie ai quali è possibile ridurre ulteriormente i costi di sviluppo.

Ridurre il Tco con Cyclone IV
La riduzione dei costi nelle applicazioni di largo consumo è un trend oramai consolidato nell’industria elettronica. La scelta di una tecnologia in grado di ridurre i costi del sistema e consentire ai progettisti di realizzare prodotti innovativi è divenuto pertanto un elemento cruciale. Gli Fpga della linea Cyclone, per esempio, dispongono di tutte le caratteristiche atte ad assicurare sensibili risparmi, come ad esempio blocchi IP hard integrati, blocchi transceiver operanti a 3 Gbps e un numero ridotto di alimentatori. L’impiego dei componenti programmabili di Altera consente di ridurre i costi totali di possesso in quanto garantiscono un elevato grado di affidabilità, manutenzione ridotta al minimo e possibilità di aggiungere funzionalità in tempi brevi. Tutti coloro che adottano le soluzioni di Altera, infine, possono incrementare la loro produttività utilizzando l’ampio supporto messo a disposizione della società che comprende il software di progettazione Quartus II, blocchi IP e progetti di riferimento.

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