HEITEC AG

FPGAs – eine attraktive Lösung für zahlreiche fordernde Anwendungen (Bild: HEITEC AG)

FPGAs haben sich als vielseitige Technologie etabliert, um Hardware-Funktionalitäten maßgeschneidert anzupassen und zu optimieren. Auch HEITEC nutzt die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit von FPGAs, um für seine Kunden effiziente Hardwarelösungen zu implementieren. Dies hat nicht nur Vorteile für die Performance der Systeme, sondern auch viele andere Vorzüge, die in Folge kurz erläutert werden.

Bei den nützlichen Helfern handelt es sich um integrierte Schaltkreise, die aus einer Matrix programmierbarer Logikblöcke bestehen, welche durch programmierbare Verbindungen miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu ASICs (Application-Specific Integrated Circuits), die auf spezifische Anwendungen festgelegt sind, können FPGAs flexibel konfiguriert und adaptiert werden. ASICs zeigen Kosten- und Performance-Vorteile bei hohen Stückzahlen, jedoch erfordert ihre Entwicklung Zeit. FPGAs sind in mannigfaltigen Varianten und Ausbaustufen am Markt verfügbar und bei niedrigen und mittleren Stückzahlen sowie für eine kürzere Time-to-Market die geeignete Wahl.

HEITEC AG
Architektur eines FPGA (Bild: HEITEC AG)

Komplexe Aufgaben

Da FPGAs komplexe Aufgaben ohne Unterstützung externer Peripherieelemente erfüllen können, eröffnet dies viele Designoptionen. Für eine effiziente Umsetzung sind jedoch eine sorgfältige Analyse der Anforderungen, eine optimale Ressourcennutzung und genaue Kenntnisse der Zielanwendung unerlässlich. Es muss entschieden werden, welcher FPGA-Typ zum Einsatz kommt, je nach gewünschter Geschwindigkeit, Signaleigenschaften und Portanzahl. Da sich der Markt in den vergangenen Jahren rasant entwickelt hat, gibt es inzwischen ein breites Angebot mit verschiedenen Features: Mit und ohne RAM-Speicher, DSP-Slices, ARM-Prozessoren, High-Speed-Transceivern, und andere. Als Dienstleister erstellt HEITEC im Rahmen von Entwicklungsprojekten zunächst eine grobe Konzept-, dann eine detaillierte Design-Spezifikation und trifft hierin die beste Wahl des FPGAs für die jeweilige Anwendung. HEITEC greift hierbei auf umfangreiche Projekterfahrung mit FPGA-Reihen der Hersteller Intel (Arria, Max, Stratix, Cyclone), Xilinx (Zync, Spartan 6) und Lattice zurück.

Der Prozess eines FPGA-Hardware-Designs beinhaltet die Auswahl und Platzierung der Logikblöcke, das Routing der Verbindungen und die Implementierung von Funktionen auf der Baustein-Architektur. Dies kann auf verschiedene Art erfolgen, zum Beispiel mit Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) wie VHDL oder Verilog. VHDLs ermöglichen es den Entwicklern, die Hardware-Funktionalität zu beschreiben und die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit der FPGAs zu nutzen. Die Programmierung erfolgt durch das Laden von konfigurierbaren Bits in die Logikblöcke und Verbindungen.

Die Vorteile der FPGAs

Die Multitalente bieten zahlreiche Vorteile: Als erstes ist ihre Flexibilität zu nennen. Hardware-Funktionalitäten können anwendungsspezifisch angepasst und geändert werden, ohne dass physische Änderungen am Schaltkreis erforderlich sind. Dies ermöglicht eine schnelle Iteration und Anpassung an sich ändernde Anforderungen, aber auch eine komplette Rekonfigurierung und Wiederverwendung. Sie lassen sich so genau an branchenspezifische – auch sicherheitskritische – Gegebenheiten adaptieren. So können mehrere FPGAs z. B. redundante Systeme bilden. Die Logik des einen kann in die weiteren FPGAs kopiert werden. Auch Echtzeitlösungen sind kein Problem, da sich I/O-Prozesse exakt durch eine eigene Schaltung auf dem FPGA abbilden und deterministisch definieren lassen. Die geballte Leistungsfähigkeit in kompaktem Format ist zudem attraktiv für miniaturisierte Systemlösungen. Da die Informationen sich per Software migrieren lassen, können Updates einfach realisiert werden, weshalb sich FPGAs auch sehr gut für Langzeitprojekte eignen. Herausforderungen durch Obsoleszenz werden somit gemildert.

 

HEITEC AG
Leistungsvergleich von Rechenkernen (Bild: HEITEC AG)

FPGAs sind außerdem äußerst leistungsfähig. Durch die maßgeschneiderte Konfiguration von Logikblöcken und Verbindungen können FPGAs spezifische Berechnungen und Aufgaben effizient und punktgenau in Echtzeit ausführen. Sie bieten eine hohe Parallelität und I/O und sind daher in vielen Bereichen leistungsstärker als herkömmliche Prozessoren bei vergleichbar geringerer Leistungsaufnahme.

FPGAs können die Entwicklungszeit verkürzen, da sie auf existierenden Plattformen aufbauen und Designs wiederverwendet werden können bzw. aus IP Building Blocks zusammengesetzt sind, die sich spezifisch kombinieren lassen und nicht immer wieder neu entwickelt werden müssen. Werden sie neu programmiert, wirkt sich das zwar funktionell auf die angeschlossene Hardware aus, verändert diese aber nicht. Durch den Übertrag von Performance auf FPGAs kann die Board-Größe reduziert werden, was dem Trend zu immer performanteren, aber kleineren Systemen entspricht. Durch die kompakte Bauweise der FPGAs und die Vermeidung zusätzlicher Komponenten ist mehr thermische Kontrolle gegeben, da nur ein Bauteil gekühlt werden muss.

Aufgrund ihrer positiven Eigenschaften finden FPGAs in einer Vielzahl von anspruchsvollen Bereichen ihren Platz, darunter digitale Signalverarbeitung, drahtlose Kommunikation, Bildverarbeitung, industrielle Automatisierung, medizinische Geräte, KI, AR/VR und andere, die eine hohe Rechenleistung erfordern.

Fazit

FPGAs sind eine leistungsstarke Technologie, die es ermöglicht, maßgeschneiderte Hardware-Funktionalitäten zu entwerfen und zu programmieren. Mit ihrer Hilfe lassen sich Systemdesigns zukunftssicher und leistungsfähiger bei geringeren Systemgesamtkosten (Total Cost of Ownership) gestalten. Ohne Einsatz weiterer Komponenten macht sie dies zu einer attraktiven Lösung für viele fordernde Anwendungen. Das HEITEC Entwicklerteam nutzt die langjährige Erfahrung im ASIC- und FPGA-Design systematisch, legt größten Wert auf Verifikation und Validierung und kann FPGA-Funktionalität für nahezu jede Lösung realisieren. Basierend auf einem großen Branchenquerschnitt kennt das Unternehmen das Marktangebot genau und verwendet FPGAs unterschiedlicher Anbieter, um die beste Wahl für die jeweilige Anwendung zu treffen.

Intel Corp
Intel Arria 10 Entwicklungsboard (Bild: Intel Corp)

Sie möchten gerne weiterlesen?

Unternehmen

HEITEC AG

Dr.-Otto-Leich-Straße 16
90542 Eckental
Germany

Dieser Beitrag wird präsentiert von: