Selección final de la arquitectura de hardware

La mayoría de las discusiones se realizaron en la lista CIAA-Hardware con la participación de muchos diseñadores de hardware que ya han participado en otros proyectos CIAA. Otras definiciones se realizaron entre el grupo de INTI-CMNB que diseñará la placa y Martín Ribelotta de EmTech, quien tiene experiencia en aplicaciones HPC. También hubo comunicación fluida con el equipo de diseño de la CIAA-Safety ya que se analizó la posibilidad de interconexión entre ambas placas.

A continuación se listan las opciones analizadas y descartadas por diferentes motivos.

• Serie Zynq UltraScale+ MPSoC
  • Tecnología muy nueva (en desarrollo).
  • No se consiguen aún en Digikey.
  • Las versiones gratuitas de los programas ISE y Vivado no lo van a soportar.
• SoC Freescale iMX6
  • Ya existen en el mercado numerosos productos con estos micros y a muy buen precio.
  • Algunos periféricos del iMX6 son muy limitados, como por ejemplo el PCIe x1 o el Ethernet 1Gb.
• Epiphany Multicore Coprocessor (Adapteva)
  • Dependencia absoluta de Adapteva, no se pueden comprar en ningún distribuidor.
  • En este momento (2015), no se consiguen los chips ni en su página (dice sold out).
  • Procesadores muy caros (USD 600).
• MIPS Processor (Warrior o Aptiv)
  • En caso de querer implementar el IP core en silicio, habría que afrontar costos altísimos e imposibles.
  • En caso de querer implementarlo en FPGA, se necesitaría una FPGA de gran tamaño y alto costo y la performance obtenida sería mucho menor a la de un SoC físico.
  • Tecnología propietaria, de alto costo y difícil de adquirir.
• GPU NVIDIA o AMD Radeon
  • Dificultad para adquirir chips Nvidia o AMD.
  • Drivers propietarios.
  • Documentación difícil de conseguir.

La opción seleccionada para el procesador es la Serie Zynq-7000 de Xilinx. En la sección Propuesta para la utilización de un SoC/MPSoC Zynq se describe esta familia de Xilinx.

Se copian aquí algunas ventajas y características positivas que reforzaron la decisión:

• Disponible a la venta en Digikey.
• Diseños de referencia disponibles.
• Documentación disponible.
• Mayor potencia de cómputo frente a las otras opciones.
• Interfaces de comunicación de muy alta velocidad (10 Gb/s o más).
• Disponibilidad de herramientas de desarrollo gratuitas (en la gama baja de la familia).
• La parte de Lógica Programable permite implementar aceleradores de procesamiento por hardware.
• Se pueden ingresar datos/muestras directamente al sistema, las interfaces no son limitantes (por ejemplo para video en HD).

En la lista CIAA-Hardware se discutieron todas las ventajas y desventajas, su alto costo, su alcance y las aplicaciones posibles que podrían desarrollarse con este SoC + FPGA. Se llegó a la conclusión de que era el hardware más adecuado para las aplicaciones que se buscan y de que realmente sería un diseño abierto que serviría como diseño de referencia para la industria o para fines educativos.

Luego de haber seleccionado la familia Zynq-7000, se analizó cuál de todos los procesadores era más conveniente. Para esto, se revisaron los modelos que soporta la versión Webpack del software Vivado: Z-7010, Z-7015, Z-7020 y Z-7030. De estas opciones se seleccionó el más potente, el Z-7030, a fines de cumplir con los requisitos de las aplicaciones de Alto Costo Computacional (considerando también que el costo no es un factor decisivo en este proyecto).

Las opciones de encapsulado del Z-7030 son las siguientes.

• Encapsulado SBG485 (pitch 0.8mm, 19x19mm): 318.75 U$S
  • Ventajas: Se puede soldar en su lugar el 7Z015.
• Encapsulado FBG484 (pitch 1mm, 23x23mm): 290 U$S
  • Ventajas: Precio inferior, pero no hay gran diferencia.
  • Desventajas: No es compatible con otras partes.
• Encapsulado FBG676 (pitch 1mm, 27x27mm): 333.75 U$S
  • Ventajas: Se puede soldar en su lugar el 7Z035 o el 7Z045.
• Encapsulado FFG676 (pitch 1mm, 27x27mm): 417.50 U$S
  • Ventajas: Se puede soldar en su lugar el 7Z035 o el 7Z045. Los transceivers son de mayor velocidad.
  • Desventajas: Precio elevado.

Todas las partes elegidas son de grado industrial y tienen “speed grade” 2 (aunque podrán utilizarse partes con “speed grade” 1).

A continuación se listan algunos argumentos que se expusieron en la lista y que ayudaron en la decisión del encapsulado:

• En cuanto al pitch, no hay diferencia entre utilizar el de 0.8mm o el de 1mm ya que el breakout es idéntico (no pasan dos tracks entre pads BGA salvo que se recurra a una fabricación más cara).
• Los encapsulados más grandes tienen cantidades más interesantes de pines HR/HP.
• En el encapsulado FFG676, los transceivers pueden llegar a 12.5 Gb/s.
• No hay diferencia de pines entre un FFG676 y FBG676, por lo tanto eligiendo cualquiera de estos dos encapsulados, se tendría la mayoría de los FPGA+SoC de Xilinx cubiertos y el diseño sería muy escalable.
• Si se selecciona el SBG485 sólo se estaría incluyendo la gama baja que no está a la altura de los requerimientos del proyecto.

En conclusión el part number con mayores ventajas es el XC7Z030-2FBG676I (speed grade 2). También podría ser el XC7Z030-1FBG676I (speed grade 1). Estos part numbers son compatibles con el FFG676, se podrá soldar en la placa cualquiera de estas opciones: 7Z030/35/45.