为什么要在FPGA系统设计中使用FPGA SoM？

作者：Tawfeeq Ahmad

随着数据中心、高性能计算机、医学成像、精确布局线迹、专用 PCB 材料、外形限制以及热管理等应用的扩展，对 FPGA 的需求也在不断上升。以前，硬件设计人员会选择“芯片向下”架构，为应用选择特定硅器件并开发完全定制的电路板。虽然这种方法可实现高度优化的实施，但需要大量的开发时间和成本才能达到生产就绪状态。为了节约时间和费用，设计团队现在正在考虑更加集成的解决方案，例如多芯片模块 (MCM)、系统级封装 (SiP)、单板机 (SBC) 或系统级模块 (SoM)。

FPGA SoM 市场正在迅速扩大，使得更多用户能够采用基于 FPGA 的平台。这些 SoM 因其适应性强的架构和用户友好的设计而在各种应用中被广泛采用。

FPGA 系统级模块概述

与独立的单板机不同，FPGA SoM 是一种紧凑型计算模块，设计用于集成到更大的系统中。该模块包括高速 DDR 内存、闪存、电源管理、通用接口控制器和板级支持包 (BSP) 软件等基本组件，以及对高速收发器模块和以太网、USB 和 PCIe 等多种通信协议的支持。

SoM 方法具有显著优势，可提供一个包含核心计算部件和软件的预构建、预测试模块，从而缩短开发时间、降低成本并简化组件采购流程。这使得研发团队能够专注于公司的特定需求，从而带来更可预测的设计周期和更好的业务成果。此外，SoM 还具有可扩展性和灵活性，可轻松升级或修改组件，而无需对整个系统进行全面改造。通过利用 SoM，公司可以更快地将产品推向市场，降低设计错误的风险，并提高整体效率，这使得 SoM 成为对各种先进应用都极具吸引力的解决方案。

上市时间

基于 SoM 的方法可大幅缩短开发时间，因而上市速度更快。由于 SoM 经过 iWave 等制造商的预先测试和认证，因此设计人员能够更快地将这些模块集成到产品中，并且错误也更少。这样的预先验证可确保模块符合高可靠性和性能标准，因而无需再进行大量的内部测试和故障排除工作。通过利用 SoM，公司可简化开发周期，减少设计和验证过程所花费的时间和资源（图 1）。这使得公司能够专注于自己独特的价值主张和核心竞争力，而无需纠缠于复杂的系统集成。SoM 的模块化特性还可为设计过程提供灵活性，即使在开发的后期阶段，也可进行更改和调整，无需进行大规模的返工。

图 1：使用 SoM 可大幅缩短设计时间，因而上市速度更快。（图片来源：iWave）

开发成本和复杂性

利用生产就绪且合格的 SoM 可大幅降低 FPGA 系统设计的复杂性。通过将预测试 SoM 集成到产品开发中，公司可降低与硬件设计错误和兼容性问题相关的风险。这种方法不仅能加快产品上市，而且还能降低整体开发和认证成本。SoM 的测试体系非常严格，其中包括严格的电磁兼容性 (EMC) 测试，以及热循环和老化测试等各种环境应力测试。这些测试可确保模块能够承受恶劣的工作条件，同时保持可靠性能，从而最大限度减少对大量内部测试和验证工作的需求。

产品模块性和可扩展性

对于 FPGA 片上系统 (SoC) 解决方案，采用基于 SoM 的方法的主要优势之一是增强的模块性和可扩展性。SoM 设计支持各种 FPGA 逻辑密度、I/O 配置和收发器功能。这种灵活性使得产品设计人员能够选择符合其特定应用要求的合适 SoM，而无需重新设计整个硬件架构。例如，单载板架构可容纳不同的 SoM 配置，从具有基本功能的小型 FPGA 到具有先进处理能力、更复杂的大型 FPGA。这种模块性对设计的无缝可扩展性和面向未来的能力有利，可根据市场需求变化轻松升级到更新一代的 FPGA 或增加其他功能。

图 2：FPGA SoC 提供增强的模块性和可扩展性。（图片来源：iWave）

供应链和产品生命周期管理

基于 FPGA 的系统的供应链管理涉及协调从不同供应商采购的众多组件。以 SoM 为中心的方法通过将采购和供应链管理职责与 SoM 供应商（如 iWave）整合，简化了这种复杂性。这些供应商可与关键组件供应商保持战略合作关系，并采用前瞻性的预测技术，以确保稳定的供应能力和有竞争力的定价。这种前瞻性管理方式可缩短交货期，最大限度降低采购风险，并优化库存管理，最终有助于公司节约成本，提高运营效率。

高效的产品生命周期管理 (PLM) 对于保持基于 FPGA 的产品的寿命和竞争力至关重要。SoM 供应商通过持续监控组件的淘汰情况和市场趋势，在这方面发挥着关键作用。他们会主动更新 SoM 设计和软件包，以加入新功能、增强功能和安全补丁。这种前瞻性方法可降低与组件 EOL（寿命终止）公告相关的风险，从而确保无缝的产品连续性，并最大限度减少对客户运营的干扰。通过将 PLM 职责委托给 SoM 供应商，公司可将内部资源集中用于创新和核心竞争力，而不是用于管理供应链动态和降低产品生命周期风险。

对软件开发人员的益处

使用 SoM 可简化和加速基于 FPGA 的系统的软件开发过程。这些模块配备预验证的板级支持包 (BSP) 和参考设计，提供了稳定的标准化软件开发环境。开发人员可利用这些资源加快应用软件的开发，而无需根据不同硬件配置调整软件，从而减少复杂性。这种方法不仅可缩短开发周期，而且还可增强软件的可靠性和兼容性，从而使开发人员能够专注于优化应用的性能和功能。

iWave 与 AMD、Altera 和 Achronix 等领先 FPGA 供应商合作，提供多样化、全面的 SoM 产品组合。这种合作关系使得 iWave 能够提前获得尖端 FPGA 技术，从而开发出适合不同应用需求的各种 SoM 和商用现成 (COTS) 模块。例如，在 AMD 的 Zynq UltraScale+ 系列下，iWave 提供多种选择，例如 iW-RainboW-G35M、iW-RainboW-G30M 和 iW-RainboW-G47M，每种选择都提供适合不同性能要求的不同配置。类似地，iWave 与 Altera 和 Achronix 合作推出了 iW-RainboW-G58M Agilex 5 SoC FPGA 和 iW-RainboW-G64M Speedster7T SoM 等 SoM，展示了其满足各种 FPGA 平台要求的能力。

结语

除 SoM 产品组合外，iWave 还通过一系列 FPGA 设计服务为客户提供支持，其中包括载板设计、FPGA IP 开发、移植、定制、Linux 和板级支持包 (BSP) 移植、认证以及机械设计。自 1999 年成立以来，iWave 一直专注于嵌入式系统工程设计，服务于工业、医疗、汽车和航空电子等行业。iWave 在 FPGA 和 SoC FPGA 技术方面拥有丰富的专业知识，因而能够提供符合严格行业标准的强大解决方案，支持全球客户实现无缝产品开发。