Ventajas de los dispositivos FPGA y SoC de la serie Xilinx 7

Xilinx amplió la definición de FPGAs en el nodo de 28 nm y proporcionó no solo los FPGAs más avanzados de la industria, sino también una línea revolucionaria de SoC y ICs 3D. NI desempeñó un papel clave para ayudar a definir los requisitos para los dispositivos de la serie Xilinx 7 y fue un socio líder en el programa SoC.

En lugar de utilizar el proceso de alto rendimiento/alta potencia diseñado para chipsets gráficos en PCs o el proceso de baja potencia dirigido a dispositivos de teléfonos móviles, Xilinx trabajó con TSMC para desarrollar un proceso adaptado a los requisitos de los dispositivos. Por lo tanto, la tecnología de proceso de alto rendimiento y baja potencia (HPL) de 28 nm de TSMC incluye la combinación adecuada de rendimiento y ahorro de energía para todos los mercados a los que sirven los dispositivos Xilinx. Los diseños que deben ejecutarse a alto rendimiento no tienen que tener un costo extremo de mayor consumo de energía. Por el contrario, los diseños que deben cumplir con estrictos requisitos de potencia aún pueden lograr objetivos de rendimiento relativamente altos. Con todo el portafolio de la serie 7 dirigido al mismo proceso de silicio HPL de 28 nm, Xilinx se concentró en la innovación de la arquitectura. Para la serie 7, Xilinx presentó una línea completa de FPGAs escalables, que incluye una nueva familia Artix-7 de bajo costo, una familia Kintex-7 de rango medio y una familia Virtex-7 de alto nivel. Los bloques de construcción básicos de FPGA de celdas lógicas, bloques DSP, BlockRAM, etc. son consistentes en toda la serie 7, lo que hace que sea mucho más sencillo migrar diseños.

Además de crear una línea completa de FPGAs, Xilinx innovó dos dispositivos únicos en su tipo: el SoC Zynq-7000 y los circuitos integrados 3D Virtex-7. Ambos dispositivos han ganado numerosos premios a la innovación de publicaciones comerciales y asociaciones de la industria en todo el mundo.

Como se muestra en la Figura 1, el SoC Zynq-7000 combina, en un solo chip, CPUs ARM Cortex-A9 dual-core con un amplio conjunto de periféricos de E/S estándares y un controlador de memoria de múltiples puertos en un dominio del sistema de procesamiento SoC con estructura FPGA en un dominio de lógica programable. Más de 2,000 interconexiones conectan el sistema de procesamiento con la lógica programable. Esto proporciona comunicación de alto rendimiento y baja latencia, extensión, flexibilidad y capacidad entre el procesamiento y la lógica programable que otros sistemas que conectan dispositivos discretos basados en procesadores con FPGAs a través de tarjetas de circuito impreso no pueden lograr. Esta integración es un valor clave para las plataformas de NI basadas en Zynq-7000, incluyendo CompactRIO cRIO-906x, productos Single-Board RIO (sbRIO-9607/9627/9637), kits Single-Board RIO GPIC para sistemas de control de electrónica de potencia, System-On-Module (SOM) sbRIO-9651, myRIOy el sistema de automatización de red. La interconexión de alto rendimiento y baja latencia entre el sistema de procesamiento y la lógica programable permite 16 canales DMA paralelos y un ancho de banda funcional de más de 300 MB/s.

Todos los dispositivos de la serie 7 estandarizados en el uso del protocolo de bus ARM AXI-4. La IP creada para la implementación en sistemas basados en ARM se puede migrar fácilmente a cualquier dispositivo de la serie 7. Con LabVIEW FPGA, NI proporciona un conjunto de IP específicas de la aplicación, así como acceso a la IP del generador Xilinx Core estandarizada en la interfaz AXI. Esto proporciona interoperabilidad de IP entre proveedores y facilita el mantenimiento y la mejora de los diseños con el tiempo.

Figura 1: El SoC Zynq-7000 combina un sistema de procesamiento dual-core ARM Cortex-A9, una estructura FPGA (lógica programable) de 28 nm y periféricos clave en un solo dispositivo.

Xilinx inventó el FPGA en 1988 y desde entonces ha proporcionado tecnología FPGA de vanguardia. El Kintex-7 representa el pináculo de esa tecnología. La familia de dispositivos presenta un equilibrio perfecto entre el rendimiento de la velocidad del reloj de la estructura FPGA y el consumo de energía, E/S de alta velocidad, capacidad, seguridad y fiabilidad.

Este conjunto de características altamente equilibradas hace que el dispositivo sea ideal para servir a una amplia cantidad de pruebas y aplicaciones embebidas de alto rendimiento, como disparos personalizados, secuencia de pruebas temporizadas por hardware, imágenes médicas, control de física y monitoreo de comunicaciones de ancho de banda ultra ancho y radar, inteligencia de señales, prueba digital con reconocimiento de protocolo, algoritmos de visión en tiempo real y radio definida por software.

Los nuevos FPGAs Kintex-7 son ideales para muchos productos que utilizan la arquitectura de E/S reconfigurable (RIO) de LabVIEW. Esta familia de dispositivos tiene la capacidad y el rendimiento de los FPGAs anteriores de gama alta, pero con la mitad del consumo de energía. La impresionante reducción de potencia significa que los dispositivos pueden incluir más del doble de la capacidad de procesamiento de señales digitales por dispositivo que las generaciones anteriores de hardware de NI habilitado por FPGA. Con este aumento en los recursos lógicos y DSP, los ingenieros pueden implementar algoritmos más complejos con un uso más extenso del procesamiento de señales y análisis en tiempo real, y abordar las crecientes velocidades de datos de E/S y la complejidad de las actuales aplicaciones.

Además de más recursos DSP, el controlador de memoria DDR3 ha ayudado a NI a implementar una interfaz de 10 GB/s (teórico) para almacenamiento temporal en comparación con las velocidades de 3.2 GB/s de la generación anterior. Además, el ancho de banda del controlador PCI Express integrado aumentó de 800 MB/s a 1,600 MB/s, lo que permite transferencias de datos aún más rápidas desde el FPGA al host.

Las plataformas y productos de NI que aprovechan las ventajas de Kintex-7 incluyen RIO multifunción de la serie R , plataforma PXI, FlexRIO, E/S digitales, plataformas CompactRIO y plataformas USRP (Universal Software Radio Peripheral) (radio definida por software).

Artix-7 utiliza los mismos recursos de FPGA que Kintex-7, pero optimizados para un consumo de energía aún menor y paquetes de menor tamaño, brindando ventajas similares, pero al precio de línea de alto valor. La tecnología Artix-7 FPGA se utiliza en productos de NI con el SoC Zynq-7000, así como en el chasis de expansión de la serie C para implementar temporización personalizada, procesamiento interno y control. Debido a que los bloques de construcción de FPGA son funcionalmente idénticos a Kintex-7, se logra fácilmente la migración entre dispositivos, especialmente cuando se usa LabVIEW FPGA.

En LabVIEW 2014 y versiones posteriores, los desarrolladores que utilizan FPGAs Xilinx serie 7 y SoCs Zynq-7000 en su hardware NI RIO también pueden beneficiarse de Vivado, la última tecnología de compilación de Xilinx. Las herramientas de compilación de Vivado ofrecen numerosos beneficios que incluyen:

• Cierres de temporización más consistentes y confiables 
• Mejor utilización de recursos
• Compilaciones más rápidas para dispositivos FPGA Kintex-7 que anteriormente usaban Xilinx ISE (NI cRIO-9068 y NI PXIe-7975R)

Figura 2: La nueva tecnología de compilación Vivado de Xilinx ofrece menores tiempos de compilación para dispositivos SoC Kintex-7 y Zynq-7000 que anteriormente usaban Xilinx ISE.

Información del autor

Robert Bielby—Director sénior de marketing estratégico y planificación comercial, Xilinx Inc.

Greg Brown, gerente principal de marketing, NI

Explore los dispositivos de NI que utilizan FPGAs y SoCs de la serie Xilinx 7:

• CompactRIO
• Single-Board RIO
• FlexRIO
• Plataformas PXI
• Plataformas USRP
• Aprenda sobre la arquitectura LabVIEW RIO y LabVIEW FPGA: LabVIEW FPGA