Start der HFM-Arbeitsgruppe für FPGA-SoMs (System-on-Modules)

Der zunehmende Einsatz von FPGA-SoMs (System on Modules) verändert das moderne Produktdesign in allen Branchen. Dieser wachsende Trend verdeutlicht den großen Bedarf der Branche an einem einheitlichen Standard, der den FPGA-SoM-Design- und Fertigungsprozess optimieren kann. Ein solcher Standard könnte Performance, Kosten und Flexibilität optimieren und es Ingenieuren und Entwicklern erleichtern, komplexe Anwendungen zum Leben zu erwecken.

(Bildquelle: iWave)

Vorteile von FPGA-SoMs

Der FPGA-SoM-Ansatz hat aufgrund seiner erheblichen Vorteile bei der Vereinfachung von Entwurfsprozessen an Zugkraft gewonnen. Durch den Einsatz von SoMs können Entwickler mehrere komplexe Designaufgaben auslagern, was nicht nur die Entwicklungszeit verkürzt, sondern auch eine höhere Produktqualität gewährleistet. Hier erfahren Sie, wie FPGA-SoMs einige der wichtigsten Design-Herausforderungen bewältigen:

• Komplexes Design von Schaltplänen: FPGA-SoMs optimieren das Design komplizierter Leistungsschaltungen, einschließlich komplexer Anforderungen an die Leistungssequenzierung.
• Höhere Leistungsdichte: Sie ermöglichen eine höhere Leistungsdichte bei begrenztem Platz auf der Platine, was für moderne und kompakte Anwendungen unerlässlich ist.
• Effiziente IO-Verarbeitung: FPGA-SoMs vereinfachen die Handhabung verschiedener IO-Bank-Komplexitäten und erleichtern den Umgang mit mehreren IO-Standards.
• DDR-Speicher und Highspeed-Signalverarbeitung: Mit FPGA-SoMs werden Hochgeschwindigkeits-DDR-Speicherdesigns und Signalintegrität präzise verwaltet, was den gesamten Datendurchsatz und die Zuverlässigkeit verbessert.
• Wärmemanagement und kompaktes Design: Durch ein effektives Management der Wärmeableitung halten FPGA-SoMs ein optimales Wärmeniveau aufrecht, während sie gleichzeitig einen kompakten Formfaktor beibehalten.

Insgesamt verbessern FPGA-SoMs auch die Skalierbarkeit von Designs und unterstützen eine breite Palette von Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen an Logikdichte, IOs und Transceiverkanälen.

Bedarf für einen Standard: Die Initiative für „Harmonized FPGA Module™“ (HFM)

Im Februar 2024 hat die „Standardization Group for Embedded Technologies e.V.“ (SGeT) mit der Bildung einer Arbeitsgruppe zur Entwicklung des Standards „Harmonized FPGA Module™“ (HFM) einen wichtigen Meilenstein gesetzt. Diese Bemühungen, die auf einem Gründungstreffen mit 18 globalen Organisationen ins Leben gerufen wurden, zielen darauf ab, einen Standardrahmen für FPGA- und SoC-FPGA-Module zu schaffen. Auf dem Treffen wurde Mr. Sheik Abdullah von iWave zum Vorsitzenden des Standard Development Teams (SDT) ernannt, das im Rahmen des sechsten SGeT-Großprojekts die Bemühungen um die Schaffung eines globalen Standards leitet.

Ziele und Anwendungsbereich des harmonisierten FPGA-Modul-Standards (HFM)

Das Hauptziel des „Harmonized FPGA Module™ (HFM) Standard Development Teams“ ist die Entwicklung eines vielseitigen und einheitlichen Standards für lötbare und Board-zu-Board-FPGA-Module. Dieser Standard wird ein breites Spektrum von FPGA-Konfigurationen abdecken, wobei der Schwerpunkt auf der Bereitstellung von Optionen für Low- bis Mid-Range-FPGAs liegt, mit Modularität zur Unterstützung von Mid- bis High-End-SoC-FPGAs. Das Leitbild umreißt einen dualen Ansatz für die Gestaltung von SoMs zur Verbesserung von Flexibilität und Funktionalität:

• Lötbare FPGA-Module: Diese Option ist ideal für Anwendungen, bei denen Kompaktheit, geringer Stromverbrauch und Langlebigkeit von größter Bedeutung sind.
• Anschlussbasierte Module: Diese Module eignen sich für leistungsstärkere Anwendungen und ermöglichen eine bessere Skalierbarkeit und Zugänglichkeit der Komponenten.

Beide Designs haben die gleichen grundlegenden technischen Herausforderungen, wie z. B. Energiemanagement, Wärmeregelung und Hochgeschwindigkeitsverbindungen, so dass die Entwicklung einer harmonisierten Norm sowohl praktisch als auch vorteilhaft ist. Die vorliegende Norm zielt darauf ab, diese gemeinsamen Probleme zu lösen und einen zentralen Rahmen zu schaffen, der für beide Modultypen gilt.

Vision für den HFM-Standard

Mit der HFM-Initiative möchte das SGeT ein Ökosystem fördern, in dem Innovationen gedeihen und die Grenzen des Embedded Computing neu definiert werden. Ziele der Normung:

1. Förderung der Kosteneffizienz und Verkürzung der Markteinführungszeit: Durch die Vereinfachung von Entwicklung und Integration könnte der HFM-Standard es Unternehmen ermöglichen, Produkte schneller und mit weniger Ressourcen auf den Markt zu bringen.
2. Erhöhung der Flexibilität und Interoperabilität: Der standardisierte Ansatz bietet eine größere Kompatibilität zwischen verschiedenen FPGA-Lösungen und fördert so eine breitere Akzeptanz dieser Technologie.
3. Förderung des technologischen Fortschritts: Diese Bemühungen zielen darauf ab, die Grenzen der eingebetteten Technologie zu erweitern und immer komplexere und leistungsfähigere Anwendungen in allen Branchen zu ermöglichen, von der Automatisierung bis zum Hochleistungsrechnen.

Beteiligen Sie sich an den HFM-Standardisierungsbemühungen

Das SGeT lädt alle Unternehmen aus dem Bereich der eingebetteten Technologien ein, sich an der Entwicklung des Standards für harmonisierte FPGA-Module zu beteiligen. Dies ist eine Gelegenheit für Akteure aus der Industrie, ihr Fachwissen einzubringen, die Zukunft des FPGA-Moduldesigns zu gestalten und Teil einer kollaborativen Gemeinschaft zu werden, die sich auf bahnbrechende Fortschritte im Embedded Computing konzentriert.

Wenn Sie Interesse haben, sich dieser Initiative anzuschließen, wenden Sie sich bitte an info@sget.org, um an diesem transformativen Standardisierungsprojekt teilzunehmen.

Breitere Auswirkungen der FPGA-SoM-Standardisierung

1. Marktbeschleunigung für Embedded Computing: Es wird erwartet, dass der HFM-Standard die Einführung von FPGA-basierten Lösungen in neuen Märkten beschleunigen wird. So können beispielsweise Sektoren wie die industrielle Automatisierung und KI-gesteuerte IoT-Anwendungen, bei denen Modifizierbarkeit und Anpassungsfähigkeit entscheidend sind, von der optimierten Integration profitieren, die standardisierte SoMs bieten. Durch die Verringerung der Entwicklungskomplexität können mehr Unternehmen die FPGA-Technologie erforschen und einsetzen, ohne tiefgreifende FPGA-Designkenntnisse zu benötigen, was neue Möglichkeiten für Embedded Computing eröffnet.
2. Vorteile für die Lieferkette: Mit einem standardisierten Ansatz können Anbieter, Lieferanten und Hersteller ihre Bestände optimieren, die Teilevielfalt reduzieren und die Logistik vereinfachen. Ein standardisierter SoM-Formfaktor ermöglicht es den Komponentenlieferanten, eine gleichbleibende Qualität beizubehalten und gleichzeitig eine Reihe von FPGA- und SoC-Optionen anzubieten, die über verschiedene Plattformen hinweg interoperabel sind, was letztendlich die Kosten reduziert und die Verfügbarkeit erhöht.
3. Kreuzkompatibilität für zukunftssichere Entwürfe: Eine harmonisierte Norm kann auch zu zukunftssicheren Entwürfen führen. Durch die Einführung gemeinsamer Schnittstellen, Pin-Konfigurationen und Wärmemanagement-Praktiken können Ingenieure FPGA-SoMs in bestehenden Produkten leichter aufrüsten oder ersetzen. Diese Flexibilität ermöglicht es Unternehmen, ihre Produktlebenszyklen zu verlängern und sich schnell an neue Hardware-Innovationen anzupassen, ohne dass größere Umgestaltungen erforderlich sind.
4. Unternehmensübergreifende Zusammenarbeit und Innovation: Der HFM-Standard hat das Potenzial, die unternehmensübergreifende Zusammenarbeit durch die Einführung einer gemeinsamen Designsprache in der FPGA-Branche zu fördern. Über diesen gemeinsamen Rahmen können Unternehmen gemeinsam an fortschrittlichen Lösungen wie Highspeed-Datenverarbeitung, Deep-Learning-Beschleunigern und Edge-Computing-Modulen arbeiten. Dieses kooperative Umfeld kann zu schnelleren Innovationszyklen und verbesserten Funktionen für die Endnutzer führen.

Technische Erweiterungen und Neuerungen im HFM-Standard

1. Interoperable Pin-Layouts und Stromversorgungskonfigurationen: Die Standardisierung von Pin-Layouts und Stromversorgungskonfigurationen ist für die Modularität und Flexibilität von entscheidender Bedeutung. Dadurch können Entwickler ein einzelnes Boarddesign an verschiedene FPGAs anpassen, was die modulare Anpassungsfähigkeit verbessert und einen einfacheren Weg zur Aufrüstung von FPGA-Modulen im Zuge des technologischen Fortschritts bietet.
2. Vereinheitlichte Richtlinien für die Wärmeableitung und den Wärmehaushalt: Verschiedene FPGA-SoMs haben unterschiedliche Leistungs- und Wärmeanforderungen, und der HFM-Standard soll Richtlinien für eine optimierte Wärmeableitung enthalten. Diese Richtlinien werden Praktiken für den Umgang mit thermischen Lasten standardisieren, was Anwendungen in der Industrie, Hochgeschwindigkeitsrechnern und anderen Bereichen, in denen thermische Zuverlässigkeit wichtig ist, zugute kommt.
3. Modulare Software-Kompatibilität: Mit einem standardisierten Hardwarekonzept kann auch die Softwareunterstützung einheitlicher werden. Diese Standardisierung wird dazu beitragen, eine universelle Software- und Firmware-Kompatibilität zwischen verschiedenen FPGA-SoMs zu ermöglichen und den Bedarf an benutzerdefinierten Treibern und Software-Patches zu reduzieren, was wiederum die Entwicklung für Ingenieure vereinfacht und eine höhere Zuverlässigkeit gewährleistet.
4. Verbesserte Sicherheitsstandards: Sicherheit ist ein wachsendes Anliegen bei eingebetteten Systemen. Der HFM-Standard kann Mindestsicherheitsmaßstäbe für FPGA-SoMs definieren, z. B. Verschlüsselungsunterstützung, sichere Boot-Funktionen und Manipulationserkennung. Diese zusätzlichen Sicherheitsfunktionen würden FPGA-SoMs für kritische Anwendungen, bei denen die Datensicherheit eine Priorität darstellt, wie z. B. medizinische Geräte und Verteidigungssysteme, noch attraktiver machen.

Die Rolle von HFM bei der Entwicklung von Anwendungen der nächsten Generation

1. Stärkung von Edge- und KI-Anwendungen: Mit dem Aufkommen von KI und Edge Computing sind FPGAs aufgrund ihrer Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung und Datenberechnung in Echtzeit unverzichtbar geworden. Der HFM-Standard wird skalierbare FPGA-Lösungen unterstützen, die auf KI-Anwendungen zugeschnitten sind und eine schnellere Bereitstellung von Modellen für maschinelles Lernen und Echtzeit-Datenverarbeitung im Edge-Bereich ermöglichen.
2. Fortschrittliche IoT- und Verbindungslösungen: Im Bereich des Internet der Dinge (IoT), wo geringer Stromverbrauch und effiziente Datenverarbeitung entscheidend sind, können standardisierte FPGA-SoMs die Integration von Sensordatenverarbeitung, Maschine-zu-Maschine-Kommunikation und Echtzeit-Überwachungssystemen erheblich vereinfachen. Durch die Vereinfachung der FPGA-Entwicklung könnte HFM eine zentrale Rolle bei der Ausweitung von IoT-Anwendungen in der Landwirtschaft, in intelligenten Städten und im Energiesektor spielen.
3. Transformation der industriellen Automatisierung: Standardisierte FPGA-SoMs können ein neues Maß an Anpassungsfähigkeit für industrielle Automatisierungssysteme bieten, bei denen Flexibilität und Robustheit entscheidend sind. Dazu gehören Anwendungen in der Robotik, der vorausschauenden Wartung und der Präzisionsfertigung, wo kundenspezifische FPGA-Lösungen die Geschwindigkeit und Effizienz bieten, die für die Verarbeitung großer Mengen von Echtzeitdaten erforderlich sind.

Zukunft des HFM-Standards und nächste Schritte

1. Weltweite Einführung und Zertifizierungsprogramme: Das SGeT wird wahrscheinlich Zertifizierungsprogramme einführen, um sicherzustellen, dass FPGA-SoMs die HFM-Standards erfüllen. Eine Zertifizierung könnte die Glaubwürdigkeit von FPGA-Anbietern erhöhen und den Endnutzern Vertrauen in die Produktkompatibilität und -zuverlässigkeit geben, ähnlich wie die Zertifizierungsprogramme für andere Technologiestandards wie PCIe und USB.
2. Entwicklung eines Ökosystems und von Unterstützungsnetzen: Ein Schlüsselfaktor für den Erfolg des HFM-Standards wird die Entwicklung eines robusten Ökosystems sein, das Schulungsmaterialien, Entwicklerforen und Softwarebibliotheken umfasst. Diese Support-Infrastruktur wird es Ingenieuren ermöglichen, FPGA-SoMs in ihren Projekten effizient zu nutzen und so die Verbreitung des Standards weiter voranzutreiben.
3. Finanzierung von Forschung und Entwicklung: Wenn die HFM-Initiative an Fahrt gewinnt, könnten Regierungen, Forschungseinrichtungen und private Investoren verstärktes Interesse an der Finanzierung von Projekten zeigen, die sich an den HFM-Standards orientieren. Eine solche Finanzierung kann Forschung und Entwicklung beschleunigen und innovative FPGA-Anwendungen schneller auf den Markt bringen, insbesondere in Bereichen, die auf hochleistungsfähige, skalierbare und sichere Datenverarbeitung angewiesen sind.
4. Mögliche Erweiterung des Anwendungsbereichs der Norm: Da sich die Technologie und die FPGA-Fähigkeiten weiterentwickeln, besteht die Möglichkeit, die HFM-Norm zu erweitern, um neue Technologien wie Quantencomputer und photonische Integration zu berücksichtigen. Durch die Etablierung eines flexiblen Standards legt das SGeT den Grundstein für zukünftige Erweiterungen, die Hardware-Fortschritte der nächsten Generation in das FPGA-SoM-Ökosystem einbinden können.

Der HFM-Standard (Harmonized FPGA Module) adressiert nicht nur die aktuellen Herausforderungen der Branche, sondern positioniert die FPGA-Technologie für nachhaltiges Wachstum, Anpassungsfähigkeit und Relevanz in der sich schnell entwickelnden Landschaft des Embedded Computing. Durch standardisierte Entwicklung und Zusammenarbeit soll diese Initiative Entwickler unterstützen, Innovationen fördern und die Markteinführung für ein breites Spektrum von Anwendungen beschleunigen.

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