Karty NetFPGA

Poptávka po technologii vysokorychlostního přenosu dat neustále roste. K dispozici existují standardní řešení založená na technologiích velkých hráčů, jako je Intel, Broadcom a Realtek. Tyto mainstreamové technologie jsou především určeny ke standardnímu využití a masovému nasazení. Aplikace vyžadující speciální přístup, např. nízkou latenci, vysoké datové toky, předzpracování dat, statistiky nebo rychlou reakci na příchozí událost, vyžadují obvykle uživatelsky definovaná, respektive proprietární řešení.

Přenosové rychlosti dosahované v datových centrech, akvizičních a obrazových jednotkách dosahují běžně datových toků v objemech jednotek až stovek gigabitů za sekundu (1–100 Gb/s). Vývoj vlastních jednotek pro výzkum a vývoj v této oblasti je časově náročný, vyžaduje rozsáhlou škálu znalostí a nemalou finanční investici.

Společnost DFC Design nabízí širokou škálu řešení v oblasti systémů zpracování digitálních, počítačových a průmyslových sítí jak pro výzkumné účely, tak i reálné nasazení.

Vývojové platformy jsou založeny na technologii FPGA společností Xilinx a Altera a jsou určeny pro zpracování dat v objemech od jednotek gigabitů za sekundu do 100 Gb/s.

Jedním z nejvýkonnějších modulů je karta NetFPGA SUME založená na hradlovém poli řady Virtex 7. Tato karta je primárně určená pro zpracování dat v rozsahu od 10 do 40 Gb/s s možným rozšířením až na 100 Gb/s. Jak již název napovídá, karta je zařazena do open source projektu NetFPGA založeného a vedeného významnými světovými výzkumnými organizacemi. K dnešnímu dni je do projektu zapojeno více než 150 výzkumných skupin z celého světa.

Karta NetFPGA SUME je osazena hradlovým polem Virtex-7 690T- -FFG1761 se 693 120 logickými bloky, které umožňuje plně využít připojené periferní zařízení a poskytuje dostatek prostoru pro tvorbu uživatelských aplikací. Na kartu je dále vyvedeno 32 ze 36 GTH transceiverů o přenosové rychlosti až 13,1 Gb na jeden transceiver a jeden směr. Čtyři transceivery jsou použity pro připojení SFP+ klecí s podporou 10-Gigabit Ethernetu, 2 transceivery jsou využity pro rozhraní SATA, 8 tvoří sběrnici PCI Express generace 3 a zbývajících 18 je vyvedeno na rozšiřující konektory k dalšímu použití nebo rozšíření na 100G Ethernet.

Datové pakety procházející kartou je třeba na přechodnou dobu ukládat nebo přistupovat ke specifickým datovým strukturám, jako jsou směrovací tabulky, statistiky a počítadla. Pro tyto účely je na kartě k dispozici několik druhů pamětí. První a obvykle nejrychlejší typ paměti je paměť přímo v hradlovém poli (distribuovaná nebo bloková), která slouží pro práci s relativně malými bloky dat ovšem s velmi nízkou latencí a rychlou vybavovací dobou. Druhou skupinu tvoří externí statické paměti typu QDR II+ pracující na frekvencí 500 MHz DDR s nezávislým rozhraním pro vstup a výstup dat. Optimální rozložení výkonu a mapování přístupů zajišťují 3 nezávislé paměti QDR II+ o bitové šířce 36 bitů a celkové kapacitě 27 MB. Třetí skupina paměti je tvořena dvojící DDR3 DRAM s pracovní frekvencí 933 MHz (1 866 MT/s) o maximální kapacitě až 32 GB. Tento druh pamětí je určen převážně pro odkládaní větších objemů dat. Poslední skupina je tvořena pamětmi typu Flash určenými pro konfiguraci systému. Karta je rozšířitelná o SD kartu pro další uživatelské využití.

Karta je doplněna jednotkami pro rekonstrukci hodin, monitorováním proudové spotřeby jednotlivých napájecích sekcí a monitorováním hodnot napájecích napětí.

Ke kartě je k dispozici celá řada funkčních projektů včetně zdrojových kódů a schémat zapojení. Pro akademická pracoviště je karta dostupná za dotovanou cenu 1 695 USD.

Druhou zajímavou kartou je model NetFPGA-1G-CML, který je primárně určen pro zpracování datových toků z 1000/100/10 Mb ethernetových rozhraní. Karta je osazena hradlovým polem Xilinx řady Kintex – XC7K325T-1FFG676 s 326 080 logickými bloky. Datová komunikace je zajištěna čtyřmi ethernetovými PHY s rozhraním RGMII přímo připojenými k hradlovému poli a sběrnicí PCI Express x4 generace 2. Pro ukládání dat stejně jako u karty NetFPGA SUME je možné využít hierarchickou strukturu pamětí, kdy na kartě je osazena statická paměť QDRII+ pracující s frekvencí 450 MHz o maximální kapacitě 4,5 MB doplněná dynamickou pamětí DDR3 o velikosti 512 MB s taktem 800 MHz. Karta je dále vybavena pamětí flash určenou pro konfiguraci a slotem pro SD karty.

Rozšiřujícími periferiemi jsou hodiny reálného času, kryptografický čip a FMC konektor kompatibilní s formátem VITA 57, který obsahuje LVDS vo diče a 4 GTX transceivery pro komunikaci do 6 G/s na každý transceiver.

Aplikační potenciál karty lze rozšířit i na další obory související s využitím 100/1000 Mb fyzické vrstvy. Především se může jednat o oblast průmyslových sítí (EtherCAT) a kamerových protokolů GigE, kdy je možné dosáhnout lepších vlastností a vyšší spolehlivosti než u běžných komerčních řešení.

Karta je schopna pracovat nezávisle na PC. Ke kartě je k dispozici celá řada funkčních projektů včetně zdrojových kódů a schémat zapojení. Pro akademická pracoviště je karta dostupná za cenu 799 USD a pro komerční použití za cenu 1 499 USD.

Poslední představenou kartou je karta určená pro průmyslové systémy reálného času, například RTX a RTX64. Karta je osazena hradlovým polem Xilinx řady Kintex – XC7K70T-1FFG676 s 65 600 logickými bloky. Datová komunikace je zajištěna dvojicí rozhraní CAN a RS422/485 a čtyřmi ethernetovými PHY s rozhraním RGMII přímo připojenými k hradlovému poli a sběrnicí PCI Express x4 generace 2. Rozšiřující konektor umožňuje připojení přídavných jednotek, jako jsou vstupy a výstupy, AD/DA převodníky standardu JESD204B nebo LVDS.

Kartu lze plně konfigurovat a zajistit protokolovou variabilitu včetně protokolu EtherCAT, GigE a dalších průmyslových standardů. Výhodou navrženého řešení je možnost replikace dat z jednotlivých portů do všech rozhraní, a tak umožnit kompletní monitoring chodu systému, bez sebemenších zásahů do řídicí aplikace.

Kartu lze využít i bez systému reálného času, např. v prostředích MS Windows, Linux a UNIX.

Více informací, referenčních příkladů a návodů je možno získat u společnosti DFC Design na adrese www.dfcdesign.cz, která také poskytuje školení v oblasti FPGA, DSP a vývoj zařízení a periferií pro FPGA a DSP.

Společnost DFC Design je zaměřena na vývoj hardwaru a softwaru v oblasti číslicového zpracování signálu, embedded zařízení a průmyslových aplikací. Jednou z oblastí, ve kterých společnost dosahuje významných výsledků, je vývoj aplikací na bázi programovatelné logiky a mikroprocesorových systémů.