作者：Tawfeeq Ahmad

2024-08-21

隨著數據中心、高性能計算機、醫學成像、精確布局線跡、專用 PCB 材料、外形限制以及熱管理等應用的擴展，對 FPGA 的需求也在不斷上升。以前，硬件設計人員會選擇“芯片向下”架構，為應用選擇特定硅器件并開發完全定制的電路板。雖然這種方法可實現高度優化的實施，但需要大量的開發時間和成本才能達到生產就緒狀態。為了節約時間和費用，設計團隊現在正在考慮更加集成的解決方案，例如多芯片模塊 (MCM)、系統級封裝 (SiP)、單板機 (SBC) 或系統級模塊 (SoM)。

FPGA SoM 市場正在迅速擴大，使得更多用戶能夠采用基于 FPGA 的平臺。這些 SoM 因其適應性強的架構和用戶友好的設計而在各種應用中被廣泛采用。

FPGA 系統級模塊概述

與獨立的單板機不同，FPGA SoM 是一種緊湊型計算模塊，設計用于集成到更大的系統中。該模塊包括高速 DDR 內存、閃存、電源管理、通用接口控制器和板級支持包 (BSP) 軟件等基本組件，以及對高速收發器模塊和以太網、USB 和 PCIe 等多種通信協議的支持。

SoM 方法具有顯著優勢，可提供一個包含核心計算部件和軟件的預構建、預測試模塊，從而縮短開發時間、降低成本并簡化組件采購流程。這使得研發團隊能夠專注于公司的特定需求，從而帶來更可預測的設計周期和更好的業務成果。此外，SoM 還具有可擴展性和靈活性，可輕松升級或修改組件，而無需對整個系統進行全面改造。通過利用 SoM，公司可以更快地將產品推向市場，降低設計錯誤的風險，并提高整體效率，這使得 SoM 成為對各種先進應用都極具吸引力的解決方案。

上市時間

基于 SoM 的方法可大幅縮短開發時間，因而上市速度更快。由于 SoM 經過 [iWave]等制造商的預先測試和認證，因此設計人員能夠更快地將這些模塊集成到產品中，并且錯誤也更少。這樣的預先驗證可確保模塊符合高可靠性和性能標準，因而無需再進行大量的內部測試和故障排除工作。通過利用 SoM，公司可簡化開發周期，減少設計和驗證過程所花費的時間和資源（圖 1）。這使得公司能夠專注于自己獨特的價值主張和核心競爭力，而無需糾纏于復雜的系統集成。SoM 的模塊化特性還可為設計過程提供靈活性，即使在開發的后期階段，也可進行更改和調整，無需進行大規模的返工。

圖 1：使用 SoM 可大幅縮短設計時間，因而上市速度更快。（圖片來源：iWave）

開發成本和復雜性

利用生產就緒且合格的 SoM 可大幅降低 FPGA 系統設計的復雜性。通過將預測試 SoM 集成到產品開發中，公司可降低與硬件設計錯誤和兼容性問題相關的風險。這種方法不僅能加快產品上市，而且還能降低整體開發和認證成本。SoM 的測試體系非常嚴格，其中包括嚴格的電磁兼容性 (EMC) 測試，以及熱循環和老化測試等各種環境應力測試。這些測試可確保模塊能夠承受惡劣的工作條件，同時保持可靠性能，從而最大限度減少對大量內部測試和驗證工作的需求。

產品模塊性和可擴展性

對于 FPGA 片上系統 (SoC) 解決方案，采用基于 SoM 的方法的主要優勢之一是增強的模塊性和可擴展性。SoM 設計支持各種 FPGA 邏輯密度、I/O 配置和收發器功能。這種靈活性使得產品設計人員能夠選擇符合其特定應用要求的合適 SoM，而無需重新設計整個硬件架構。例如，單載板架構可容納不同的 SoM 配置，從具有基本功能的小型 FPGA 到具有先進處理能力、更復雜的大型 FPGA。這種模塊性對設計的無縫可擴展性和面向未來的能力有利，可根據市場需求變化輕松升級到更新一代的 FPGA 或增加其他功能。

供應鏈和產品生命周期管理

基于 FPGA 的系統的供應鏈管理涉及協調從不同供應商采購的眾多組件。以 SoM 為中心的方法通過將采購和供應鏈管理職責與 SoM 供應商（如 iWave）整合，簡化了這種復雜性。這些供應商可與關鍵組件供應商保持戰略合作關系，并采用前瞻性的預測技術，以確保穩定的供應能力和有競爭力的定價。這種前瞻性管理方式可縮短交貨期，最大限度降低采購風險，并優化庫存管理，最終有助于公司節約成本，提高運營效率。

高效的產品生命周期管理 (PLM) 對于保持基于 FPGA 的產品的壽命和競爭力至關重要。SoM 供應商通過持續監控組件的淘汰情況和市場趨勢，在這方面發揮著關鍵作用。他們會主動更新 SoM 設計和軟件包，以加入新功能、增強功能和安全補丁。這種前瞻性方法可降低與組件 EOL（壽命終止）公告相關的風險，從而確保無縫的產品連續性，并最大限度減少對客戶運營的干擾。通過將 PLM 職責委托給 SoM 供應商，公司可將內部資源集中用于創新和核心競爭力，而不是用于管理供應鏈動態和降低產品生命周期風險。

對軟件開發人員的益處

使用 SoM 可簡化和加速基于 FPGA 的系統的軟件開發過程。這些模塊配備預驗證的板級支持包 (BSP) 和參考設計，提供了穩定的標準化軟件開發環境。開發人員可利用這些資源加快應用軟件的開發，而無需根據不同硬件配置調整軟件，從而減少復雜性。這種方法不僅可縮短開發周期，而且還可增強軟件的可靠性和兼容性，從而使開發人員能夠專注于優化應用的性能和功能。

iWave 與 AMD、Altera 和 Achronix 等領先 FPGA 供應商合作，提供多樣化、全面的 [SoM 產品組合]。這種合作關系使得 iWave 能夠提前獲得尖端 FPGA 技術，從而開發出適合不同應用需求的各種 SoM 和商用現成 (COTS) 模塊。例如，在 AMD 的 Zynq UltraScale+ 系列下，iWave 提供多種選擇，例如 iW-RainboW-G35M、iW-RainboW-G30M 和 iW-RainboW-G47M，每種選擇都提供適合不同性能要求的不同配置。類似地，iWave 與 Altera 和 Achronix 合作推出了 iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA 和 iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM 等 SoM，展示了其滿足各種 FPGA 平臺要求的能力。

結語

除 SoM 產品組合外，iWave 還通過一系列 FPGA 設計服務為客戶提供支持，其中包括載板設計、FPGA IP 開發、移植、定制、Linux 和板級支持包 (BSP) 移植、認證以及機械設計。自 1999 年成立以來，iWave 一直專注于嵌入式系統工程設計，服務于工業、醫療、汽車和航空電子等行業。iWave 在 FPGA 和 SoC FPGA 技術方面擁有豐富的專業知識，因而能夠提供符合嚴格行業標準的強大解決方案，支持全球客戶實現無縫產品開發。

審核編輯 黃宇