FPGA-Designs in Kombination mit x86er Prozessoren wurden in der Vergangenheit als vollkommen kundenindividuelle Designs zumeist im eigenen Hause oder aber von spezialisierten Designhäusern umgesetzt. Jetzt gibt es x86er Prozessoren, deren Chipsatz ein FPGA ist, und Anbieter, die dieses Prozessor-FPGA-Tandem auf Standardbaugruppen mit für FPGA-Designs üblichen „Tochterkarten" anbieten. OEM sollten deshalb Ihre „Build or Buy"-Strategien überprüfen.

Der neue Intel Atom Prozessor E6x5CT mit FPGA und x86er Prozessor auf einem Muli-Chip-Modul bietet neben Standardfunktionen wie z.B. Grafik und Netzwerkschnittstelle auch einen integrierten FPGA. Dies eröffnet es Entwicklern, I/Os sehr flexibel auszulegen. Nun könnte man meinen, dass dieses Tandem nur etwas für ganz individuelle Hardware ist und dass es für x86er Standardformfaktoren kein Einsatzszenario gibt, da individuelle I/Os auch individuelle physikalische Schnittstellen brauchen. Das ist sicherlich auch so. Doch auch und insbesondere für kleine bis mittlere Stückzahlen gibt es einen Weg, diese Technologie nutzbringend auch mit Standardbaugruppen umzusetzen.

x86er für FPGA-Designs angepasst

Kontron hat hierfür als erstes Board den PCIe/104 Formfaktor gewählt. Dieser Formfaktor ist sehr kompakt (90 x 96 mm) und kommt in Sandwichbauweise, Erweiterungskarten werden parallel zum Prozessor-Board gesteckt. Zudem sind die Steckverbinder auf den Boards immer Embedded Steckverbinder, so dass man die Interfaces bedarfsgerecht auslegen kann. Lösungen auf Basis dieses Formfaktors sind zudem von jeher dadurch geprägt, dass sie durch Erweiterungsbaugruppen zu ihrer dedizierten Auslegung gelangen. Erweiterungsbaugruppen für das Ökosystem des PC/104 Konsortiums gibt es dementsprechend viele: von ISA über PCI bis hin zu PCI-Express sowie Kombinationen daraus. Das aktuelle Board von Kontron unterstützt beispielsweise PCI-Express-basierte Erweiterungsbaugruppen für diesen Formfaktor (PCIe/104). Mit dem Board lassen sich folglich die auf dem Prozessorboard implementierten I/Os, weitere I/Os über PCIe/104 Standardbaugruppen sowie dedizierte I/Os über den FPGA implementieren. Diese speziellen I/Os führt das Board über einen dedizierten Steckplatz aus: dem sogenannten High-Speed-Mezzanine-Card (HSMC) Steckplatz. Dieser Steckplatz wurde speziell für FPGA-Designs konzipiert und eine Vielzahl von I/O-Baugruppen sind für FPGA-gesteuerte I/Os bereits als COTS-Baugruppen (Commercial Of The Shelf = vorgefertigt ab Lager) verfügbar. Beispielsweise für Framegrabber, DSPs, Video over IP, DA/AD Wandler, Industrial Ethernet und viele andere mehr. Umsetzen lassen sich folglich bereits heute je nach verfügbarer HSMC-Karte eine Vielzahl an speziellen Designs und dies mit am Markt frei verfügbaren kommerziellen Baugruppen.

Erste Implementierungen bereits umgesetzt

Dementsprechend kann bereits wenige Wochen nach der Verfügbarkeit dieses Boards schon vermeldet werden, dass große OEM im Bereich sowohl der Antriebstechnik wie auch beispielsweise der Medizintechnik ihre bislang bereits über ganz individuelle Boards umgesetzten embedded Designs mit x86er Prozessor und FPGA auf das neue Standardsystem erfolgreich portieren konnten. Für diese Hersteller ändert sich dabei die Option, wie eine solche Lösung implementiert werden kann: Der Trend geht hier weg von einem Full-Custom-Design hin zu Standardbaugruppen für solche Implementierungen.
Große OEM werden dabei Re-Designs der bereits bestehenden COTS-Baugruppe mit der individuellen Umsetzung der I/Os auf ein Design mit nur einer Leiterplatte umsetzen. Aber mit dem vorgestellten PCIe/104-Design ist es auch möglich, vollkommen auf Basis von COTS-Baugruppen passende Standardlösungen zur Verfügung zu stellen. Die bestehenden HSMC Karten sind zwar im Wesentlichen für Evaluierungszwecke gedacht. Doch mit der Verfügbarkeit von Standard-PC-Baugruppen mit HSMC-Steckplatz ist es auch denkbar, dass sich ein neuer IO-Karten Standard speziell für Designs mit dem Tandem FPGA und x86er heraus formt.

Geringere Baugruppenkosten für die I/Os

So ist es beispielsweise denkbar, dass HSMC Tochterkarten mit entsprechender IP für den FPGA angeboten werden, die das gesamte Spektrum der Industrial Ethernet Implementierungen abdecken würden. Dies kombiniert mit den digitalen und analogen I/O, die man für die Motorregelung braucht, wäre zumindest eine gute Lösung für Motion-Control-Anbieter. Letztendlich ist dies aber nicht wirklich entscheidend, denn sollte eine HSMC-Karte individuell umgesetzt werden müssen, ist diese Investition im Vergleich zum bisher 100 % individuellen Design deutlich günstiger als teurer.

Höhere Designsicherheit

In jedem Fall aber haben OEM durch die Integration einen signifikanten Vorteil: Sie können erstmals von Herstellern von Standardbaugruppen ihre Lösung beziehen. Für kleine und mittlere Serien mehr und mehr sogar komplett aus Standardbaugruppen bestückt und für individuelle Konfigurationen auf Basis dieser bereits getesteten und serienreifen Layouts. Die Kosten der Hardware-Designs sinken folglich signifikant und die Designsicherheit und Verfügbarkeit steigt. Und ganz nebenbei auch die Baugröße, denn der für industrielle Temperaturbereiche ausgelegte Intel Atom E6x5CT ist gegenüber jedwedem bisher verfügbaren Design durch das Multi-Chip Layout deutlich Platz sparender. Es spricht folglich viel dafür, seine Einkaufsstrategien zu überdenken. Das Hardwaredesign sollte man ab jetzt bei führenden Herstellern von Embedded Computern einkaufen. (gro)