Die Entwicklung des FMC-Standards Das Damals und Jetzt der FPGA-Mezzanine-Card

FPGA Xilinx VCU118 mit FMC+-Prüfschleifenkarte

Trotz wachsender Übertragungsraten und schrumpfender Abmessungen erfreuen sich die beiden ANSI-Standards FMC und FMC+ bei Systementwicklern auch nach zehn Jahren großer Beliebtheit. Wie konnte die FPGA-Mezzanine-Card die Jahre praktisch unbeschadet überstehen?

Dank der Fähigkeit, die Design-Risiken zusammen mit den Kosten zu mindern oder zu senken, hat die Field-Programmable-Gate-Array-Technik (FPGA) effizientere Entwicklungen im Embedded-Markt ermöglicht. Die oft als All-in-One-Lösung genutzten FPGAs machen die ASIC-Technik quasi entbehrlich. Gleichzeitig reduzieren sie die Kosten der kundenspezifischen IP-Algorithmen in der Schaltungsauslegung. Sogar bei der Nachverarbeitung ermöglichen die FPGAs es den Entwicklern, ihre Logik zu verändern, nachdem die Schaltungen auf dem Board sind. Das Ergebnis ist ein effizienteres Prototyping bei verkürzter Markteinführungszeit.

Die Anfänge von FMC

Einer der größten Vorteile von FPGAs kann sich allerdings auch als eine der größten Herausforderungen herausstellen. Wenn die Flexibilität eines FPGA auf die Anforderungen des Endanwenders in Bezug auf eine spezielle Konfiguration trifft, könnte sich das Layout der Schnittstelle unendlich hinziehen. COTS-Hersteller sehen sich einer weiteren Herausforderung gegenüber, ein Standardprodukt zu entwerfen, das den Großteil des Markts zufriedenstellen soll.

Falls das FPGA bei gewünschter Modularität ein wirtschaftliches Produkt für die Massenfertigung sein soll, wird in der Standardentwicklung ein anderer Ansatz erforderlich. Als Systementwickler und Steckverbinderhersteller bei der VITA Standards Organization, kurz VITA, den Gipfelpunkt erreichten, hatte man die Möglichkeiten, einen solchen Standard voranzutreiben, und FMC war mit VITA 57.1 geboren.

Obwohl der FMC-Standard seit mehr als zehn Jahren Bestand hat, erfährt eine Vielzahl von COTS-Herstellern und FPGA-Entwicklern wie Abaco und Xilinx eine nach wie vor große Nachfrage. Viele derjenigen, die sich für FMC entschieden haben, fühlen sich von Merkmalen wie geringe Abmessungen und anwenderdefinierbare Kontakte am Steckverbinder angezogen. FMC findet die richtige Balance aus nützlichen Eigenschaften zur Unterstützung des Endanwenders und der Bereitstellung zuverlässiger I/O-Signalintegrität bei Geschwindigkeiten von bis zu 14 Gbit/s.

FMC+ rückwärtskompatibel und stressfrei

Während viele Systementwickler FMC in aktuellen und älteren Designs immer noch reichlich verwenden, erfordern zunehmende Datenübertragungsraten und die Grundsätze von Moore’s Law eine Schnittstelle, die auch mit höheren Leistungen zurechtkommt. Die Antwort darauf war der Standard VITA 57.4 FMC+, die ANSI im Juli 2018 genehmigt und herausgegeben hat. FMC+ sollte auf dem bereits verbreiteten FMC-Standard aufsetzen und gleichzeitig die umständliche Implementierung in vorhandene Systeme vermeiden.

FMC+ überzeugt durch verbesserte Leistung, schnellere Übertragung und zusätzliche I/Os – alles bei gleichem Footprint wie der FMC.

Diese Verbesserungen ergeben sich aus einem neuen Array des Hochgeschwindigkeitssteckverbinders in einer 14×40-Anordnung. Im Vergleich zu seinem Vorgänger bietet der FMC+ 160 mehr Kontakte, erhöht die Anzahl der Multi-GB-Interfaces von 10 auf 24 MGTs und unterstützt die neuesten FPGA-Schaltungen mit Übertragungsraten von bis zu 28 GBd in jede Richtung. Als Extra unterstützt FMC+ ebenfalls die Erweiterung um ein optionales 4×20-Array mit bis zu acht zusätzlichen Multi-Gigabit-Interfaces für insgesamt 32 MGTs.

FMC+ sollte aufgrund seines kleinen Formfaktors und der Entwurfsfreiheit dem FMC in Bezug auf die weitreichende Verbreitung auf dem Fuße folgen können. Eines der wirtschaftlichsten Merkmale, derer sich der FMC+ rühmen kann, ist seine Rückwärtskompatibilität. So lassen sich ältere FMC-Tochterkarten auf FMC+-Trägerkarten stecken. Dadurch können Systementwickler verschiedene Tochterkarten in ihre aktuellen Designs nahtlos integrieren, weshalb sich FMC+ als von unschätzbarem Wert für Entwickler erweist, die vielleicht nicht unbedingt beide Hälften der Steckverbindung kontrollieren.