Quando i progenitori di Ethernet all’interno del laboratorio dello Xerox PARC crearono la loro prima versione (da 3Mb/s) verso la fine degli anni ‘70, concentrarono i loro sforzi sulla connettività prestando poca attenzione alla latenza di rete o alla velocità di trasmissione dei dati. I nodi della rete allora erano costituiti dagli esseri umani davanti alle workstation e dalle stampanti laser, e non importava a nessuno il fatto che i pacchetti potessero interferire tra loro durante il transito e dovessero essere ritrasmessi molte volte prima di raggiungere le loro destinazioni. Il mix di pacchetti lunghi e brevi sulla rete ha prodotto lunghi ritardi per questi ultimi, poiché attendevano il passaggio dei pacchetti più lunghi, in modo del tutto analogo alle automobili ferme a un passaggio a livello in attesa del passaggio di un treno prima di poter raggiungere il lato opposto della strada.
Giungendo ai nostri giorni, le velocità delle connessioni Ethernet sono accelerate notevolmente. Le velocità più elevate migliorano la capacità, ma fanno poco per gestire la latenza o ottimizzare la larghezza di banda. È ancora accettabile lasciar cadere e ritrasmettere i pacchetti in situazioni caratterizzate da carichi elevati. Comprendendo che questo avrebbe limitato l'utilità di Ethernet in applicazioni che richiedono una temporizzazione precisa e deterministica, il comitato IEEE 802, che sovrintende le specifiche Ethernet, diede origine a una nuova serie di sotto-standard indicati collettivamente come "reti sensibili al tempo (Time Sensitive Networking - TSN),"che consentono a varie classi di traffico di rete di condividere una connessione comune.
Rendere le reti TSN operative costituisce un problema tecnico particolarmente impegnativo. In una rete Ethernet classica, una volta che un nodo inizia a inviare il pacchetto "A", questo deve completare la trasmissione prima di avviarne un’altra. Ma cosa succede se un altro pacchetto "B", che potrebbe mancare una consegna per un ritardo, arrivasse improvvisamente in cima alla coda? Il mittente deve attendere che il primo pacchetto completi la trasmissione, oppure interromperla, inviare il pacchetto "B" e quindi inviare di nuovo in seguito il pacchetto "A" nella sua interezza, sacrificando così la larghezza di banda per ridurre la latenza. Nelle reti basate sulla tecnologia TSN, il nodo che trasmette può effettivamente sospendere il pacchetto "A" in corso di trasmissione, trasmettere pacchetto "B", e quindi riprendere l'invio di "A" dal punto in cui era stato interrotto. Anche con reti relativamente lente (100Mb/s), il controllore ha meno di 82 microsecondi (µs) per valutare le opzioni di accodamento e decidere sul da farsi - e la finestra si restringe a 8µs con velocità dell’ordine dei gigabit.
L'implementazione di una rete TSN richiede una combinazione della capacità di elaborazione dei microprocessori e della circuiteria dedicata offerta dagli FPGA. Non sorprende il fatto che Xilinx sia da diversi anni strettamente coinvolta nei lavori sulla tecnologia TSN all'interno di due gruppi - la AVnu Alliance e l’Industrial Internet Consortium. In occasione dell’edizione del 2016 della manifestazione SPS IPC Drives di Norimberga, Xilinx ha presentato alcuni protocolli industriali fondamentali, fra cui OPC UA, DDS e EtherCAT, che si basano sullo schema TSN. Nel 2017 Xilinx ha introdotto una versione preliminare del proprio supporto alle reti TSN con il titolo iconico "Sottosistema TSN 1G/100M LogiCORE IP". Questo funziona con i dispositivi Zynq-7000 o con gli MPSoC Zynq UltraScale + e fornisce soluzioni su chip singolo per un’ampia gamma di applicazioni. Nel corso della presente edizione dell’SPS IPC Drives a Norimberga, Xilinx ha presentato il robot collaborativo (cobot) MARA di Acutronic Robotics, il cui funzionamento dipende dal controllo del movimento in tempo reale per assicurare velocità, precisione e sicurezza. La soluzione TSN di Xilinx, basata sui dispositivi Zynq, gestisce le funzionalità deterministiche di comunicazione basate su Ethernet utilizzate nei cobot multiasse.
Altri clienti con accesso anticipato alla soluzione hanno inoltre raggiunto eccellenti risultati tecnici che, secondo le previsioni, assicurerà vantaggi tangibili in termini di profitti. General Electric ha commentato: "Dai nostri test interni, il core IP Xilinx IP ha soddisfatto alcuni dei nostri requisiti più stringenti. Da un punto di vista delle pure prestazioni, abbiamo osservato una variazione del ritardo picco-picco dei pacchetti di meno di 50 nanosecondi. Abbiamo concluso che il nucleo di Xilinx IP garantisce una copertura completa delle specifiche TSN. Grazie alla flessibilità data dall’uso di un core IP, Xilinx è stata in grado di aggiornarlo nel tempo con l’evoluzione dello standard e con l’aggiunta di nuove funzionalità, adattandosi bene con il nostro ciclo di vita dello sviluppo dei prodotti."
Nel complesso, da quando Xilinx ha annunciato il pacchetto di core IP TSN, decine di clienti hanno ottenuto le licenze per incorporarlo nei loro prodotti. Per aiutare gli sviluppatori ad avviare i propri progetti in tecnologia TSN, Xilinx ha collaborato con Avnet allo scopo di offrire un kit di valutazione TSN (AES-ZU-TSN-SK-G) al prezzo promozionale di 10.000 dollari fino al 31 dicembre 2018 (un’offerta limitata nel tempo per un core IP che fa risparmiare tempo). Il kit include due nodi hardware TSN sviluppati da Avnet, composti da un totale di sei schede e da una licenza completa di progetto che dà diritto agli utenti di utilizzare la proprietà intellettuale TSN Endpoint di Xilinx sui SoC Zynq o Zynq UltraScale + in produzione. Nel 2019, il prezzo di questo kit tornerà al suo costo ordinario di 27.000 dollari, quindi conviene ordinarlo ora. Per i dettagli fate riferimento al vostro contatto commerciale locale Xilinx o Avnet.
Le reti Time-Sensitive Networking costituiscono uno dei molti settori applicativi che beneficiano enormemente dall’uso delle piattaforme adattabili e intelligenti di Xilinx. Le attività di calcolo sono esigenti, ma i vincoli legati al funzionamento in tempo reale precludono l’utilizzo di soluzioni semplici basate su microprocessore. Gli standard in rapida evoluzione complicano le soluzioni ASIC personalizzate. Questi sono i tipi di applicazioni che gli architetti di sistema e i progettisti di Xilinx hanno considerato in fase di sviluppo dei propri prodotti. I clienti di Xilinx hanno già apprezzato il valore di questo approccio, e sono ben posizionati per affrontare sfide ancora più impegnative.
