FPGA 系統模組的 HFM 工作小組啟動

作者：Tawfeeq Ahmad

2025-01-16

FPGA 系統模組 (SoM) 日益普及，正重塑各產業的現代產品設計。此成長趨勢凸顯業界對統一標準的重大需求；此標準可以簡化 FPGA SoM 設計和製造流程。可以最佳化效能、成本、靈活性，促使工程師和開發人員更容易實現複雜的應用。

使用 iWave 產品設計您的 FPGA 系統模組原因的圖片 (圖片來源：iWave)

FPGA 系統模組的優勢

FPGA SoM 方式可大幅簡化設計流程，因而備受注目。開發人員使用 SoM，即可卸載多重複雜設計任務，不僅可減少開發時間，還能確保產品達到更高品質。以下說明 FPGA SoM 如何因應一些主要的設計挑戰：

複雜的電源電路設計：FPGA SoM 可簡化錯綜複雜的電源電路設計，包括複雜的電源定序要求。
更高的功率密度：在有限的電路板空間內支援更高功率密度，對於緊湊的進階應用十分重要。
高效率 IO 處理：FPGA SoM 簡化各種 IO 排複雜的處理作業，讓處理多重 IO 標準的過程更輕鬆。
DDR 記憶體和高速訊號處理：FPGA SoM 可以提供精準的高速 DDR 記憶體設計和訊號完整性，進而提高整體資料傳輸量和可靠性。
熱管理和緊湊設計：FPGA SoM 能有效管理散熱，在緊湊的外型尺寸中保持最佳熱水準。

整體而言，FPGA SoM 還可增強設計的擴充性，支援對邏輯密度、IO 和收發器通道有不同要求的各種應用。

標準的必要性：Harmonized FPGA Module™ (HFM) 行動

2024 年 2 月，嵌入式技術標準化組織 (SGeT) 成立一個工作小組，開發 Harmonized FPGA Module™ (HFM) 標準，這是一個重要的里程碑。全球共有 18 個組織參與成立會議，旨在為 FPGA 和 SoC-FPGA 模組建立標準框架。在會議中，iWave 的 Sheik Abdullah 獲指派為此標準開發團隊 (SDT) 的主席，依循 SGeT 的六大計畫，領導制訂此全球標準。

Harmonized FPGA Module (HFM) 標準的目的和範圍

Harmonized FPGA Module™ (HFM) 標準開發團隊的主要目標是針對可焊接和板對板 FPGA 模組開發通用且統一的標準。此標準將迎合各式各樣的 FPGA 配置，著重於為中至低階 FPGA 提供選項，並透過模組化支援中至高階 SoC FPGA。任務宣言概述 SoM 設計的雙重方法，以增強靈活性和功能性：

可焊接 FPGA 模組：此選項非常適合最重視緊湊、低功率、耐用的應用。
連接器架構模組：這些模組適合更高效能的應用，進而達到更高的擴充和組件存取能力。

這兩種設計都面臨基本的技術挑戰，例如電源管理、熱控制、高速連接，因此制定協調的標準既實用又有益。此標準旨在解決這些共同的問題，建立同時適用於兩種模組類型的核心框架。

HFM 標準的願景

SGeT 設想透過 HFM 行動，培育一個生態系統，讓創新蓬勃發展，並重新定義嵌入式運算的邊界。此標準化的目標：

提高成本效率並加速上市：以 HFM 標準簡化設計並整合，可協助企業以更少的資源更快讓產品進入市場。
提高靈活性和互通性：標準化可讓各種 FPGA 解決方案更具有相容性，鼓勵產業更廣泛採用此技術。
推動技術進步：此行動旨在突破嵌入式技術的極限，允許跨產業 (從自動化到高效能運算) 的應用更加複雜和強大。

加入 HFM 標準化工作

SGeT 邀請所有嵌入式技術領域的公司參與開發 Harmonized FPGA Module 標準。這是一個良好的機會，能讓產業相關人員貢獻專業知識、塑造 FPGA 模組設計的未來，並且加入專注於嵌入式運算創新進步的協作社群。

若您有興趣加入此行動，請聯絡 [email protected]，成為此革命性標準化計畫的一員。

FPGA SoM 標準化更廣泛的影響

嵌入式運算的市場加速：HFM 標準預期可讓新市場加速採用 FPGA 架構解決方案。例如，工業自動化和人工智慧驅動的物聯網應用等領域均重視客製化和適應性，可受益於標準化 SoM 提供的簡化整合。由於降低了開發複雜性，更多公司可以探索和採用 FPGA 技術，而無需深厚的 FPGA 設計專業知識，為嵌入式運算創造新的可能。
供應鏈優勢：透過標準化方式，廠商、供應商、製造商可以簡化庫存、減少零件種類並簡化物流。標準化 SoM 外型尺寸可讓組件供應商維持一致的品質，同時提供豐富的 FPGA 和 SoC 跨平台且互通的選項，最終可降低成本並提高可用性。
交互相容達成前瞻性設計：協調的標準也可以達成前瞻性設計。藉由建立通用介面、引腳配置、熱管理實踐，工程師可以更輕鬆升級或更換現有產品中的 FPGA SoM。此靈活性有助於公司延長產品生命週期，並且快速適應新的硬體創新，而無需進行重大重新設計。
公司間協作與創新：HFM 標準在整個 FPGA 產業建立通用設計語言，有潛力促進更多公司之間的協作。透過此共享框架，公司可以協作高階解決方案，例如高速資料處理、深度學習加速器、邊緣運算模組。此合作環境可以讓最終使用者取得更快的創新週期及強化的功能。

HFM 標準的技術強化與創新

互通的引腳佈局和電源配置：標準化引腳佈局和電源配置對於有助於達到模組化和靈活性。可讓設計人員的單板設計運用不同 FPGA，增強模組化適應性，並隨著技術的進步，提供更簡單的途徑升級 FPGA 模組。
一致的散熱和熱準則：不同的 FPGA SoM 具有不同的功率和散熱需求，HFM 標準旨在涵蓋最佳化散熱準則。這些準則將標準化處理熱負載的作業，可讓工業環境、高速運算和其他重視熱可靠性領域之應用受益。
模組化軟體相容性：將硬體標準化，也可讓軟體支援更加一致。此標準化行動將有助於讓各種 FPGA SoM 之間的通用軟體和韌體相容，減少對客製化驅動程式和軟體修補程式的需求，如此可讓工程師簡化開發並確保有更高的可靠性。
強化的安全標準：安全性在嵌入式系統中越來越受重視。HFM 標準可以定義 FPGA SoM 的最低安全基準，例如加密支援、安全啟動能力、篡改偵測。這些新增的安全功能，使得 FPGA SoM 對於視資料安全為首要考量的關鍵應用 (例如醫療裝置和國防系統) 而言更具吸引力。

HFM 支援新一代應用扮演的角色

為邊緣與人工智慧應用提供能力：FPGA 提供平行處理和即時資料運算的能力，在人工智慧和邊緣運算興起的時代，發揮重要作用。HFM 標準支援專為人工智慧應用量身訂做的可擴充 FPGA 解決方案，因此能更快部署機器學習模型和邊緣即時資料處理。
提升物聯網和連接解決方案：物聯網重視低功耗和高效率資料處理，標準化 FPGA SoM 可以大幅簡化感測器資料處理、機器對機器通訊，以及即時監控系統的整合。HFM 藉由簡化 FPGA 開發，可以在農業、智慧城市、能源領域中不斷擴張的物聯網應用中扮演關鍵角色。
轉化工業自動化：工業自動化系統十分重視靈活性和穩健性，標準化 FPGA SoM 能將工業自動化系統的適應性提升至更高水準。這包括機器人、預測性維護、精密製造領域的應用。客製化 FPGA 解決方案可提供處理大量即時資料所需的速度和效率。

HFM 標準的未來與下一步

全球採用和認證計劃：SGeT 可能會推出認證計劃，以確保 FPGA SoM 符合 HFM 標準。類似於 PCIe 和 USB 等其他技術標準的認證計劃，此認證可以提高 FPGA 供應商的可信度，並讓最終使用者對產品相容性和可靠性充滿信心。
生態系統開發和支援網路：開發強大的生態系統是 HFM 標準成功的關鍵因素之一，包括培訓材料、開發論壇、軟體資料庫。此支援基礎架構有助於工程師在其計畫中高效率運用 FPGA SoM，進一步推動標準的採用。
研究和開發資金：HFM 行動越受歡迎，我們可能會看到政府、研究機構、私人投資者對資助符合 HFM 標準的計畫更有興趣。此類資金可加速研發 (R&D)，將創新的 FPGA 應用更快帶入市場，特別是針對依賴高效能、可擴充、安全運算的領域。
標準範圍可能的擴充：隨著技術進步和 FPGA 功能發展，HFM 標準可能擴充以因應新興技術，例如量子運算和光子整合。SGeT 建立靈活的標準，為未來強化的功能奠定基礎，將新一代硬體的發展納入 FPGA SoM 生態系統。

Harmonized FPGA Module (HFM) 標準不僅解決當前的產業挑戰，還能使 FPGA 技術在快速發展的嵌入式運算領域中提供永續成長、適應性、相關性。此行動透過標準化開發和協作，提升設計人員的能力，鼓勵創新，並加速各種應用的上市。