Zwar ist die Halbleitertechnologie die Basis aller elektronischen Produkte, aber es ist die Software, die unsere moderne Welt erst möglich macht. Im Vergleich zur Hardware bietet Software eine nahezu grenzenlose Flexibilität, und in Zusammenarbeit mit einem Hochleistungs-Mikroprozessor kann sie sehr gute Ergebnisse liefern. Die Fortschritte Künstlicher Intelligenz wären beispielsweise nicht ohne Software umsetzbar, die auf den aktuellen Mikroprozessoren läuft.

Eckdaten

SoCs kommen zunehmenden in diversen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Das liegt daran, dass sie Prozessorkerne, feste Funktionen sowie konfigurierbare Hardware in einem System vereinen. Deshalb sind SoCs oftmals kostengünstiger und flexibler einsetzbar als die einzelnen Komponenten wie etwa ein FPGA oder ein Mikrocontroller. Zusätzlich bieten sie hohe Leistung. Jedoch müssen Entwickler abwägen und Kompromisse eingehen, da nicht jede Anwendung alle Funktionen eines SoCs nutzt.

In den letzten Jahrzehnten war eine Verschiebung des Gleichgewichts zwischen Hard- und Software zu erkennen. Es wird allgemein akzeptiert, dass heutzutage etwa 70 Prozent der Funktionalität eines Produkts durch eingebettete Software bereitgestellt wird, und dies fast ausschließlich aufgrund ihrer Flexibilität.

Abbildung 1: Blockdiagramm der hoch integrierten Zynq-Ultrascale-EG von Xilinx. SoCs

Abbildung 1: Blockdiagramm der hoch integrierten Zynq-Ultrascale-EG von Xilinx. Digi-Key

Die Leistungsgrenzen verschieben sich anwendungsbedingt ständig nach oben, wodurch dieses Ungleichgewicht zu einem einschränkenden Faktor wird. Software ist letztlich die Implementierung einer Funktion in abstrakter Form, was aber unvermeidbare Kosten in Form von Ausführungszeit generiert. Wenn Entwickler dieselbe Funktion in dedizierter Hardware auf Transistorebene implementieren, dann führt die Komponente sie zwangsläufig schneller aus. Dieser Leistungszuwachs kommt aber nur durch einen Flexibilitätsverlust zustande. Um das Gleichgewicht zwischen Leistung und Flexibilität zu verbessern, setzen Entwickler auf Bausteine, die Prozessorkerne, feste Funktionen sowie konfigurierbare Hardware kombinieren.

Hohe Leistung, optimierte Lösungen

Bausteine, in die diese drei Technologien integriert sind, werden als System-on-Chip (SoC) bezeichnet. Aufgrund ihrer Eigenschaften bieten sie gegenüber Bausteinen mit festen Funktionen eine größere Flexibilität, sind besser konfigurierbar als ein Mikrocontroller und verfügen über mehr Funktionen als ein FPGA, da sie die Vorzüge dieser Merkmale auf einer einzigen Plattform vereinen.

Dies ist aus verschiedenen Gründen eine gute Mischung für eine Anwendung. Der wichtigste Grund ist die Leistung, die entweder als Durchsatz oder als Echtzeit-Reaktion interpretierbar ist. Geringe Leistungsaufnahme und optimiertes Design können weitere Gründe sein. Je mehr Funktionen ein Entwickler in einen einzigen Baustein integrieren kann, desto weniger externe Komponenten benötigt er. Diese Szenarien decken die Vorteile eines SoCs ab: das Liefern von reiner Leistung und die Bereitstellung eines optimierten Designs.

Wenn letztlich der Durchsatz das Ziel ist, so ist die von einem frei gestaltbaren Design in Form eines ASIC gebotene Leistung kaum zu schlagen. Da allerdings die nicht wiederkehrenden Kosten sinken, müssen Hersteller die Entwicklungskosten für ein ASIC gegen den Preis pro Einheit aufwiegen. Deshalb lohnen sich ASICs oftmals erst ab großen Stückzahlen. Die FPGA-Technologie hat die Branche lange mit ASIC-ähnlicher Leistung auf einer nach dem Verlassen des Werks konfigurierbaren Plattform versorgt. Bei der zugrunde liegenden Technologie simuliert das System die spezialisierte Logik mittels Lookup-Tabellen, jedoch integrierten die Hersteller fest verdrahtete Funktionen. Insbesondere war dies der Fall bei Funktionen, die nur schwer durch Programmlogik emuliert werden können. In letzter Zeit führte dies dazu, dass Hersteller Prozessoren-Subsysteme integrierten. Damit gehören diese Bausteine auch zur Kategorie System-on-Chip. Die FPGA-Branchenführer bieten Bausteine an, die die drei Schlüsselelemente eines SoC umfassen. Dazu gehört beispielsweise die Serie Zynq-Ultrascale von Xilinx, die Bausteine anbietet, in denen Dual- oder Quad-ARM-Cortex-A53-Kerne mit ARM-Cortex-R5-Kernen gepaart sind.

Während diese Bausteine auf Anwendungen abzielen, die hohe Leistung fordern, gehören die SoC-FPGAs der Smart-Fusion-2-Familie von Microsemi und die PSoC-5LP-Familie von Cypress Semiconductor hingegen zu den SoCs, die in die zweite Kategorie fallen. In beiden ist ein ARM-Cortex-M3-Kern mit fest verdrahteten Funktionen und konfigurierbarer Hardware integriert. Spezielle Plattformen, die sowohl auf Hardware- als auch auf Softwareebene Support für die Anwendungsentwicklung bieten, unterstützen die oben genannten Bausteine.

Die genauen Eigenschaften der Evaluierungsplatine ZCU102 von Xilinx sowie mögliche Anwendungsgebiete, finden Sie auf der nächsten Seite.

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