Le blog de l'entreprise XILINX XAZU2EG-1SFVA625Q FPGA XA Zynq™ UltraScale+™ MPSoC haute densité

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. fournit et recycle le XILINX XAZU2EG-1SFVA625Q FPGA MPSoC XA Zynq™ UltraScale+™ haute densité. Avec sa logique programmable haute densité, ses puissantes capacités de traitement hétérogène et sa fiabilité stricte de qualité industrielle/automobile, c'est la solution privilégiée pour les applications embarquées de milieu de gamme haute performance, parfaitement adaptée aux exigences complexes des tâches de multiples scénarios.

I. Aperçu du produit : MPSoC hétérogène intégré, fleuron de milieu de gamme

Le XAZU2EG -1SFVA625Q appartient à la série EG (Extensible Graphics) de la famille XILINX XA Zynq™ UltraScale+™ MPSoC. Il s'agit d'un système sur puce (SoC) multiprocesseur hétérogène hautement intégré qui combine les points forts des processeurs multi-cœurs ARM et des FPGA de l'architecture UltraScale, se positionnant comme une solution de traitement embarqué « fleuron de milieu de gamme ». Son objectif de conception principal est de fournir une solution intégrée « CPU+GPU+FPGA » pour les applications nécessitant des performances et une fiabilité élevées. Sans avoir besoin de processeurs externes supplémentaires ou de puces dédiées, il permet le traitement de bout en bout de l'accélération d'algorithmes complexes, du contrôle en temps réel et des interactions d'interface à haute vitesse, simplifiant considérablement la conception du système, réduisant les coûts matériels et la consommation d'énergie, tout en améliorant la réactivité et la stabilité globales du système.

Le XAZU2EG-1SFVA625Q utilise la technologie de processus FinFET 16 nm basse consommation de TSMC, équilibrant hautes performances et faible consommation d'énergie. Il prend en charge une large plage de températures de fonctionnement de -40°C à 125°C, répondant aux exigences environnementales strictes des applications industrielles et automobiles. Il est largement utilisé dans les secteurs haut de gamme tels que l'intelligence industrielle, l'électronique automobile, l'aérospatiale, les équipements médicaux et d'autres secteurs haut de gamme. Il offre une prise en charge du cycle de vie du produit de plus de 15 ans, répondant aux exigences d'approvisionnement à long terme des secteurs industriel et automobile.

II. Architecture technologique de base : La combinaison hétérogène d'or entre ARM et FPGA

La compétitivité principale du XAZU2EG-1SFVA625Q réside dans son architecture d'intégration hétérogène révolutionnaire, qui fusionne de manière transparente le système de traitement (PS) avec la logique programmable (PL). Via le bus AXI4, il permet une interaction à faible latence, permettant à différents cœurs d'accomplir leurs fonctions respectives et de travailler de concert, maximisant ainsi les performances du système.

Système de traitement (PS) : Collaboration multi-cœurs, équilibrant performances et capacités en temps réel

Servant de « hub de contrôle et de calcul » de la puce, le système de traitement (PS) intègre un processeur ARM multi-cœurs et une unité de traitement graphique (GPU), permettant une gestion efficace des applications de couche supérieure, du contrôle en temps réel et des tâches de rendu graphique. La configuration spécifique est la suivante :

- Processeur de niveau application : Dispose d'un processeur ARM Cortex-A53 quad-core, prenant en charge le calcul 64 bits avec une fréquence d'horloge maximale de 1,5 GHz. Il est équipé d'un cache L1 de 32 Ko/32 Ko et d'un cache L2 de 1 Mo, et prend en charge les opérations en virgule flottante Neon et simple/double précision, et peut exécuter en douceur des systèmes d'exploitation tels que Linux et Android. Il est responsable des tâches d'application complexes de couche supérieure, y compris l'inférence IA, les interfaces utilisateur et les communications réseau (telles que la pile de protocoles 5G).

- Processeur de contrôle en temps réel : ARM Cortex-R5 intégré à 2 cœurs, avec une fréquence d'horloge maximale de 600 MHz, également équipé d'un cache L1 de 32 Ko/32 Ko et de la mémoire couplée étroitement (TCM). Conçu spécifiquement pour les tâches en temps réel à faible latence, il peut exécuter des systèmes d'exploitation en temps réel (RTOS) ou du code bare-metal, gérant des tâches avec des exigences de temps de réponse extrêmement élevées telles que l'acquisition de données de capteurs, le contrôle moteur et la synchronisation de signaux, avec des temps de réponse aussi bas que 1μs.

- Unité de traitement graphique : GPU Mali-400 MP2 intégré, prenant en charge les normes OpenGL ES 3.0 et OpenCL 1.1, avec des capacités de traitement graphique allant jusqu'à 300 millions de pixels par seconde. Il répond aux exigences de traitement multimédia telles que l'affichage vidéo haute définition et le rendu d'interface graphique sans avoir besoin d'une puce graphique externe.

Logique programmable (PL) : Architecture haute densité permettant un calcul à haute vitesse et une expansion flexible

La logique programmable (PL) est basée sur l'architecture Xilinx UltraScale, dotée de ressources logiques haute densité et de puissantes capacités de calcul. Elle peut être configurée de manière flexible en fonction des exigences de l'application pour réaliser l'accélération d'algorithmes personnalisés, l'analyse de protocoles et l'expansion d'interfaces, représentant le cœur de la « flexibilité » de l'appareil. Les configurations clés sont les suivantes :

- Ressources logiques : Fournit environ 103K+ unités logiques (LUT), prenant en charge la mise en œuvre de circuits logiques complexes. Cela permet la construction flexible de modules de calcul personnalisés pour répondre aux exigences fonctionnelles de différents scénarios.

- Tranches DSP : Intègre 240 tranches DSP, prenant en charge les opérations de multiplication-accumulation efficaces avec des performances de calcul atteignant des niveaux ultra-élevés de GMAC/s. Cela permet une accélération rapide des tâches gourmandes en calcul telles que les opérations de convolution (par exemple, l'inférence CNN), le traitement du signal numérique (DSP) et l'encodage/décodage vidéo, avec une efficacité 10 à 100 fois supérieure à celle des CPU à usage général.

- Ressources mémoire : Équipé d'environ 5,0 Mo de mémoire bloc (BRAM), qui peut être configurée de manière flexible en mémoire à port unique, à double port ou en FIFO. Cela répond aux exigences de mise en cache de données et d'échange de données à haute vitesse, réduit la dépendance à la mémoire externe et améliore l'efficacité du traitement des données.

Interconnexion sur puce et gestion de l'alimentation : Coordination efficace pour une efficacité énergétique optimisée

Le XAZU2EG-1SFVA625Q utilise la technologie d'interconnexion IP Xilinx SmartConnect pour permettre une interaction à faible latence entre l'alimentation (PS) et le plan d'alimentation (PL) via le bus AXI4, avec une latence inférieure à 100 ns. Cela garantit un flux de données efficace entre le CPU, le GPU et le FPGA, maximisant les avantages collaboratifs de l'architecture hétérogène. De plus, il intègre la fonctionnalité de mise à l'échelle dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS), qui ajuste dynamiquement la tension et la fréquence en fonction de la charge de la tâche. Avec une consommation d'énergie typique d'environ 8 à 12 W, il réduit efficacement la consommation d'énergie tout en maintenant les performances, répondant aux exigences de faible consommation des appareils embarqués.

III. Avantages clés : Conçu pour des scénarios complexes

Collaboration hétérogène : Surmonter les goulots d'étranglement de performance

Comparé aux appareils traditionnels à architecture unique, le XAZU2EG-1SFVA625Q surmonte les goulots d'étranglement de performance grâce à un modèle de division du travail où « les cœurs spécialisés gèrent les tâches spécialisées » : le ARM Cortex-A53 gère les applications de couche supérieure et la communication réseau, le Cortex-R5 gère le contrôle en temps réel, et le FPGA gère l'accélération des algorithmes et l'analyse de protocoles personnalisés. Travaillant de concert, ces trois composants améliorent considérablement l'efficacité de traitement globale du système. Par exemple, dans un système de vision industrielle, le Cortex-A53 exécute l'algorithme de détection d'objets YOLOv5, le Cortex-R5 synchronise les signaux de déclenchement de la caméra en temps réel, et le FPGA accélère les tâches de pré-traitement telles que le débruitage d'image et la détection de contours. Cela peut augmenter le débit d'images global de 30 ips à 120 ips, répondant aux exigences d'inspection visuelle à haute vitesse.

Interfaces étendues pour une connectivité unique avec plusieurs types d'appareils

Le XAZU2EG-1SFVA625Q intègre les interfaces nécessaires pour de multiples scénarios, y compris les applications industrielles, automobiles et multimédias, permettant une connectivité « unique » sans avoir besoin de puces d'interface externes supplémentaires : les interfaces haute vitesse prennent en charge PCIe Gen3 x4 et les transceivers GTH, permettant une connexion directe aux GPU, SSD et appareils à fibre optique ; les interfaces industrielles prennent en charge CAN FD, EtherCAT, RS-485 et autres, s'adaptant aux réseaux de contrôle industriels ; les interfaces multimédias prennent en charge MIPI CSI-2 (4 voies, entrée vidéo 8K), DisplayPort 1.4 et HDMI 2.0 (sortie 4K@60fps), les rendant adaptés aux caméras haute définition et aux appareils d'affichage ; les interfaces à usage général prennent en charge I2C, SPI, UART et plus encore, permettant une connexion directe à divers capteurs et périphériques, simplifiant ainsi considérablement la conception matérielle du système.

Facile à utiliser pour les développeurs, abaissant la barrière au développement hétérogène

Pour relever la complexité du développement hétérogène, XILINX fournit une chaîne d'outils de développement complète qui abaisse considérablement la barrière à l'entrée pour les ingénieurs : la suite de conception Vivado prend en charge la configuration du PS, le développement de logique PL et la simulation au niveau du système ; PetaLinux permet la construction rapide de systèmes Linux basés sur ARM, prenant en charge la personnalisation de l'arbre de périphériques et l'intégration de pilotes ; la plateforme de développement unifiée Vitis intègre les flux de travail de développement logiciel et matériel, prenant en charge la co-compilation de code C/C++/OpenCL entre le PS et le PL, et même le mappage automatique de portions de code CPU vers l'accélération FPGA. De plus, une riche bibliothèque de conceptions de référence est fournie, couvrant des scénarios tels que la vision industrielle, l'ADAS et les petites cellules 5G, ce qui peut raccourcir les cycles de développement de 3 à 6 mois.

Haute fiabilité et sécurité, adapté aux scénarios exigeants

Le XAZU2EG-1SFVA625Q a passé les tests et certifications AEC-Q100 et est conforme à la norme de sécurité ISO 26262 ASIL-C, intégrant des mécanismes de sécurité et de fiabilité complets : les fonctions de sécurité protègent les données et le firmware du système, empêchant la falsification et les attaques ; la conception à large plage de température et la vérification de la mémoire ECC améliorent la stabilité de l'appareil dans des environnements difficiles ; la conception du domaine d'alimentation et de l'île d'alimentation cadencée permet une activation/désactivation flexible des modules, réduisant la consommation d'énergie tout en maintenant les performances, ce qui le rend adapté aux applications exigeantes dans les secteurs industriel, automobile et aérospatial.

IV. Scénarios d'application typiques

Sur la base des avantages ci-dessus, le XAZU2EG-1SFVA625Q, avec sa logique haute densité, ses puissantes capacités de traitement hétérogène et sa haute fiabilité, a été largement adopté dans de multiples secteurs haut de gamme, devenant un composant essentiel des systèmes embarqués :

Terminaux intelligents industriels

Dans les scénarios d'usines intelligentes et d'Internet des objets industriel (IIoT), il sert de hub de calcul périphérique, responsable du traitement en temps réel des données de capteurs, de l'inspection visuelle industrielle, du contrôle moteur et de la communication réseau. Il convient aux produits tels que les robots industriels, les équipements d'inspection intelligents et les passerelles industrielles, permettant la gestion intelligente et automatisée des processus de production.

Électronique automobile

En tant que composant de qualité automobile, il est compatible avec les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), les systèmes de divertissement embarqués et les passerelles de véhicules. Il peut effectuer des fonctions telles que le traitement des données de perception environnementale, le rendu d'images et l'analyse des protocoles de communication embarqués, répondant aux exigences strictes du secteur automobile en matière de sécurité, de performances en temps réel et de fiabilité.

Aérospatiale et défense

Dans les applications aérospatiales, ces solutions sont utilisées dans les systèmes avioniques et de contrôle de drones (UAV). Avec leur conception à large plage de température, leur haute fiabilité et leurs puissantes capacités de calcul, ils gèrent des tâches telles que l'acquisition de données de vol, le contrôle de navigation et les communications cryptées, répondant aux exigences d'un fonctionnement stable dans des environnements extrêmes.

Médical et multimédia

Dans les dispositifs médicaux, il est utilisé dans les équipements d'imagerie médicale et de surveillance des signes vitaux pour permettre le traitement des signaux d'image, la transmission de données et le contrôle en temps réel ; dans les applications multimédias, il est utilisé pour l'encodage et le décodage vidéo 4K/8K, ainsi que pour les appareils d'affichage haute définition, offrant une expérience multimédia fluide.

V. Résumé

En tant que produit phare de milieu de gamme de la série Xilinx XAZU2EG-1SFVA625Q XA Zynq™ UltraScale+™ MPSoC, il est centré sur « l'intégration hétérogène », combinant les avantages de la logique FPGA haute densité, des processeurs ARM multi-cœurs et des GPU pour équilibrer performances, flexibilité, fiabilité et facilité d'utilisation pour les développeurs. Son processus FinFET 16 nm, sa conception à large plage de température, sa gamme étendue d'interfaces et ses mécanismes de sécurité robustes lui permettent de s'adapter à une variété d'environnements exigeants, y compris les applications industrielles, automobiles et aérospatiales. Il peut gérer des tâches complexes sans avoir besoin de puces externes supplémentaires, simplifiant considérablement la conception du système tout en réduisant les coûts et la consommation d'énergie.

Dans la tendance vers des systèmes embarqués haute performance, basse consommation et hautement intégrés, le XAZU2EG-1SFVA625Q, avec son architecture hétérogène unique et ses avantages produits complets, sert de pont vital reliant les systèmes embarqués traditionnels aux applications intelligentes haut de gamme. Il offre aux ingénieurs une liberté de conception sans précédent, facilitant le déploiement et la mise à niveau rapides de divers produits embarqués haut de gamme.