L’irresistibile ascesa della tecnologia Flash

FPGA –

La disponibilità di microprocessori negli Fpga basati su Flash è in grado di soddisfare le esigenze di applicazioni sempre più complesse e in continua evoluzione che devono essere caratterizzate da costi contenuti, consumi ridotti e semplicità d’uso.

La tecnologia Fpga ha tagliato il traguardo del quarto di secolo di vita: dalla sua introduzione circa 60 società, sia start-up sia produttori già affermati, si sono impegnate per introdurre prodotti programmabili sul mercato. Oggigiorno il quadro è radicalmente mutato: in questo settore sono presenti un ridotto numero di start-up, un paio di aziende di piccole dimensioni e quattro realtà che si spartiscono la quasi totalità del mercato. Per quanto concerne le start-up, a meno di scoprire il segreto che oltre 60 aziende non sono riuscite a svelare nel corso degli anni, le possibilità di successo sono infinitesimali. Durante tutto questo tempo il mercato a cui si rivolgono gli Fpga è radicalmente cambiato e continua a evolvere. All’inizio gli Fpga erano utilizzati principalmente per riunire la logica sparsa (glue logic) che altrimenti avrebbe occupato troppo spazio sulla scheda. Da allora, al crescere del numero di gate integrati in un dispositivo Fpga, aumento che ha seguito alla lettera l’andamento della legge di Moore, il ruolo di questi componenti è mutato. In passato si riteneva che per tutte le applicazioni poteva essere utilizzato un approccio di tipo 3M: memoria, microcontrollore e master-slice (un paio di decenni fa il master-slice era un tipo di gate array). Fondamentalmente questi sono ancor’oggi gli elementi necessari per qualsiasi applicazioni: con l’aggiunta di qualche funzione di interfacciamento è possibile realizzare praticamente tutto ciò che si desidera. Queste funzioni, una volta disponibili sotto formati di chip separati su una scheda, sono divenute componenti integrati all’interno di un SoC e ora possono essere elementi inclusi in un Fpga. Tutti gli Fpga sono infatti dotati di memoria, rendono disponibili funzioni tipiche di un gate array e prevedono la presenza di un elemento di elaborazione, cablato o sotto forma di core IP. Attualmente l’elemento su cui si concentra l’attenzione è il microprocessore.

L’approccio alle soluzioni Arm
Nel momento in cui il Pc sta perdendo la sua centralità a favore del concetto di elaborazione mobile, sono oramai superati i tempi in cui la parola microprocessore era sinonimo di Pc. Mentre Intel continua a dominare nel mondo dei Pc, i prodotti della linea Cortex di Arm sono diventate le Mcu di riferimento per il settore dei dispositivi portatili. Sono oramai molto numerose le aziende che operano nel mondo dei chip ad aver adottato le soluzioni targate Arm. Dopo aver cercato per anni (e in realtà con scarsa fortuna) di sviluppare architetture di processore proprietarie, anche i più importanti produttori di Fpga hanno stretto accordi con Arm, aggiungendo i prodotti della Cortex alla loro offerta in costante crescita. Sotto questo aspetto Actel è stato un pioniere, cooperando fin dal 2005 con Arm allo sviluppo del primo prodotto Cortex, M1, anticipando in tal mondo una tendenza che ha trovato ora piena affermazione e favorendone l’adozione da parte di numerose altre aziende.

Elementi chiave: bassa potenza…
Con grande lungimiranza Actel aveva già previsto alcuni anni fa che l’evoluzione della tecnologia avrebbe portato il microprocessore a diventare l’elemento centrale attorno a cui ruotano il lavoro, la vita di tutti i giorni e il tempo libero. Questa visione si è ora tramutata in realtà e i microprocessori sono una presenza oramai imprescindibile in tutti i dispositivi di qualsiasi dimensioni. Dai prodotto portatili come telefoni cellulari e telecamere ai tostapane ai set top box per finire alle server farm che richiedono una sofisticata tecnologia di gestione della potenza per ottimizzare i consumi, i microprocessori sono gli elementi chiave per consentire lo svolgimento di compiti semplici o complessi in maniera efficace. Insieme alle doti di programmabilità di un Fpga, questa combinazione fornisce un vantaggio competitivo non indifferente a tutti i progettisti di sistemi. L’innovazione ai giorni nostri è determinata non più dai produttori, ma dai consumatori. In passato l’elemento centrale era rappresentato dalla velocità, per cui tutte le innovazioni era focalizzate su questo parametro. I prodotti delle nuove generazioni devono invece soddisfare altre aspettative: l’utente infatti si pone domande del tipo “che altro possono fare con il mio dispositivo” oppure “dove lo posso fare”. Quello dei dispositivi medicali è un esempio di settore in cui la richiesta di dispositivi portatili complessi ma compatti è aumentata in maniera significativa. La crescente attenzione verso temi quali la salute e la forma fisica e l’incremento esponenziale dei costi delle cure mediche in tutto il mondo hanno focalizzato l’attenzione sullo sviluppo di nuove e avanzate tecnologie per la prevenzione, la diagnosi precoce e le cure mediche. La tendenza attuale è decentrare le cure mediche in aree rurali o in piccole città, lontano dai grandi ospedali e dalle metropoli. L’esigenza di accedere in maniera semplice e rapida alla diagnosi e alle cure ha contribuito ad accentuare la spinta verso la miniaturizzazione e la portabilità di dispositivi medicali per applicazioni domestiche, cliniche e di visualizzazione. Ciò rappresenta una significativa opportunità per l’utilizzo di Fpga da parte di produttori di apparecchiature medicali nello sviluppo di progetti capaci di coniugare flessibilità ed efficienza. I dispositivi medicali devono essere caratterizzati da un elevato livello di affidabilità, espletare un gran numero di funzioni, essere in grado di registrare dati e disporre di risorse di trasmissione: inoltre, devono consumare il meno possibile. Gli Fpga a segnali misti e gli Fpga basati su Flash a bassa dissipazione di Actel rappresenta la soluzione più adatta a soddisfare le esigenze del mercato medicale. Per esempio gli Fpga a ridotta dissipazione della linea Igloo della società possono essere utilizzati per svolgere qualsiasi funzione.
Questa tendenza è una dimostrazione della validità della teoria della cosiddetta “consumerizzazione”, dove gli apparati di grandi dimensioni e collegati mediante ingombranti cavi si sono trasformati in dispositivi mobili e compatti, mantenendo inalterate le doti di sofisticatezza e affidabilità. Ma gli Fpga sono anche entrati anche nel segmento dei dispositivi consumer a basso costo. I dispositivi Igloo di Actel, ad esempio, grazie a un consumo di soli 2 μW e alla disponibilità in package di ridottissime dimensioni (solo 3 x 3 mm), vengono impiegati per la realizzazione di telecamere digitali, e-book e visualizzatori di foto digitali di più recente introduzione.

… e segnali misti
Per semplificare le applicazioni più complesse la parola d’ordine è: integrazione. La richiesta di SoC ricchi di funzionalità, personalizzabili, compatti e a basso costo è in continuo aumento. I microprocessori non possono certamente operare da soli. A questo punto appare logico cercare di riunire logica, microprocessore, memoria e circuiti analogici e spingere l’integrazione a un livello superiore. Questa operazione, che per alcuni risulta semplice, può essere complicata per altri. I costruttori di Sram ci hanno provato ma con scarsi risultati. Risulta molto difficile, infatti, cablare circuiti analogici nella struttura di una Sram. Actel, dal canto suo, ha sviluppato gli Fpga a segnali misti della linea Fusion che includono tutte queste tecnologie (compresa una Mcu Cortex M1 di Arm) in una struttura Fpga basata su Flash. Gli Fpga della linea Fusion sono state utilizzate con esito positivo in applicazioni di controllo motore. Lo sviluppo di motori sempre più piccoli e potenti, abbinato ai progressi nel campo delle batterie ad alta energia, hanno aperto nuovi mercati per un’ampia gamma di prodotti motorizzati, dagli elettrodomestici e veicoli elettrici ai dispositivi di intrattenimento, ai giocattoli. I nuovi progetti per il controllo di motori in c.a. e c.c. devono essere caratterizzati da elevati livelli di efficienza e consumare poca energia al fine di assicurare tempi di funzionamento più lunghi senza influenzare la qualità delle prestazioni. La necessità di realizzare motori più piccoli ed economici da utilizzare nelle applicazioni tradizionali influenzano anche le tecniche di controllo del motore di tipo elettronico per le applicazioni industriali. L’elemento che rende possibile un’integrazione di questo tipo è rappresentato dagli Fpga basati su Flash di Actel.

L’importanza della tecnologia Flash
La tecnologia Flash assicura i maggiori vantaggi in termini di integrazione oltre a conferire caratteristiche di bassa dissipazione, sicurezza ed elevata affidabilità. Tali specifiche risultano estremamente importanti per i motivi di seguito elencati:

  • Poiché gli Fpga basati su Flash sono dispositivi single chip e supportano specifiche come il Level 0 della classificazione Lapu (Live At Power-Up), l’eliminazione dei circuiti destinati alle operazioni di avvio e inizializzazione si traduce in significativi risparmi a livello di scheda. Si tratta di un fattore molto importante in quando le applicazioni a bassa potenza sono di solito caratterizzate da dimensioni contenute.
  • Il basso consumo è senza dubbio uno dei due requisiti più importanti nella progettazione di sistemi
  • La sicurezza è anch’essa un fattore molto critico per i progettisti. La tecnologia Flash si è guadagnato la fama di essere praticamente invulnerabile ai tentativi di intrusione. Ciò è imputabile alla natura distribuita delle chiavi di sicurezza e alle caratteristiche fisiche del silicio.
  • L’affidabilità negli ambienti più disparati – sulla terra, in cielo e nello spazio – è anch’esso un aspetto da tenere in considerazione. Le radiazioni provenienti dallo spazio e dalla superficie terrestre possono causare errori soft e quindi influenzare negativamente le prestazioni di un sistema. La tecnologia Flash, grazie alla sua non volatilità, risulta immune da queste problematiche.  

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