Vergleich verschiedener Modelle von Xilinx 7 series FPGA

Ein umfassender Vergleich der Xilinx 7er-Serie FPGAs

Die Xilinx 7er-Serie FPGAs stellt einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung programmierbarer Logikgeräte dar. Diese FPGAs, die auf einem 28-nm-Prozessknoten basieren, bieten im Vergleich zu früheren Generationen eine verbesserte Leistung, Energieeffizienz und Vielseitigkeit. Die 7er-Serie besteht aus mehreren verschiedenen Modellen, die jeweils entwickelt wurden, um eine Vielzahl von Anwendungsbereichen abzudecken – von Hochleistungsrechnern und Kommunikation bis hin zu Unterhaltungselektronik und industriellen Anwendungen. Diese Modelle sind in vier Familien unterteilt: Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 und Zynq-7000. Jede Familie ist für unterschiedliche Kompromisse in Leistung, Energieverbrauch und Funktionsumfang optimiert.

Dieser Artikel bietet einen detaillierten Vergleich dieser vier FPGA-Familien und stellt deren Spezifikationen, einzigartige Merkmale, Leistungsmerkmale und typische Anwendungsfälle vor.

1. Artix-7 FPGA: Kostengünstig mit niedriger Leistungsaufnahme

Überblick: Die Artix-7-Familie ist der Einstieg in die 7er-Serie und wurde entwickelt, um ein gutes Verhältnis zwischen Kosten und Leistung zu bieten. Diese FPGAs sind für Anwendungen optimiert, bei denen niedriger Energieverbrauch entscheidend ist, ohne die fortschrittlichsten Funktionen zu benötigen.

Hauptmerkmale:

• Logikdichte: Artix-7 FPGAs sind in verschiedenen Geräten erhältlich, mit Logikkapazitäten von 15.000 bis über 215.000 LUTs (Look-Up Tables).
• Energieverbrauch: Sie sind bekannt für ihren niedrigen Energieverbrauch und eignen sich gut für batteriebetriebene Anwendungen und Umgebungen, in denen das thermische Management eine Rolle spielt.
• I/O-Leistung: Artix-7-Geräte bieten Hochgeschwindigkeits-I/O-Schnittstellen, einschließlich Unterstützung für Hochgeschwindigkeits-Serientransceiver, was sie für Anwendungen wie Kommunikation und Signalverarbeitung geeignet macht.
• Gehäuseoptionen: Diese FPGAs sind in verschiedenen Gehäusegrößen erhältlich, was eine flexible Integration in unterschiedliche Designs ermöglicht.

Anwendungsfälle:

• Unterhaltungselektronik: Ideal für Anwendungen, bei denen Kosten und Energieverbrauch minimiert werden müssen, während dennoch programmierbare Logik zur Verfügung steht.
• Automotive: Wird in Automobilsystemen für die Echtzeit-Datenverarbeitung von Sensoren und Kommunikation eingesetzt.
• Niedrigleistungs-Embedded-Systeme: Artix-7 wird häufig in batteriebetriebenen Embedded-Systemen verwendet, wie tragbaren medizinischen Geräten, Wearables und Fernmessgeräten.

Vorteile:

• Hervorragende Energieeffizienz.
• Geringere Kosten im Vergleich zu anderen 7er-Modellen.
• Moderate Logikdichte für viele Standardanwendungen.

Nachteile:

• Nicht geeignet für hochleistungsfähige Anwendungen, die umfangreiche Logik oder Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erfordern.

2. Kintex-7 FPGA: Mittlere Leistung mit hoher Bandbreite

Überblick: Die Kintex-7-Familie stellt eine mittlere Lösung zwischen dem niedrigeren Artix-7 und dem leistungsstärkeren Virtex-7 dar. Diese FPGAs bieten eine höhere Logikdichte und Verarbeitungsfähigkeiten, was sie ideal für Anwendungen macht, die eine Balance zwischen Leistung und Kosten erfordern.

Hauptmerkmale:

• Logikdichte: Kintex-7-Geräte bieten größere Logikkapazitäten, wobei das größte Gerät über 480.000 LUTs unterstützt, was komplexere Designs ermöglicht.
• Hochgeschwindigkeits-Transceiver: Kintex-7 FPGAs enthalten Hochgeschwindigkeits-Serientransceiver, die Datenraten von bis zu 13,1 Gbps unterstützen – ideal für Bandbreiten-intensive Anwendungen wie Kommunikationssysteme.
• DSP-Ressourcen: Die Kintex-7-Familie umfasst eine große Anzahl von DSP-Slices, was sie für Anwendungen geeignet macht, die Signalverarbeitung, digitale Filterung und Bildverarbeitung erfordern.
• Speicherbandbreite: Kintex-7-Geräte bieten eine hohe Speicherbandbreite, was sie ideal für Anwendungen macht, die einen schnellen Datentransfer benötigen.

Anwendungsfälle:

• Telekommunikation: Häufig in der drahtlosen Infrastruktur, in Basisstationen und in Backhaul-Netzwerken eingesetzt, aufgrund ihrer Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen zu verarbeiten.
• Videoverarbeitung: Mit ihrer hohen Logikdichte und den DSP-Slices eignen sich Kintex-7 FPGAs hervorragend für Video- und Bildverarbeitungsanwendungen.
• Rechenzentren: Wird in Beschleunigern für Hochleistungsrechenanwendungen wie Cloud Computing und maschinelles Lernen verwendet.

Vorteile:

• Hohe Logikdichte und Rechenleistung.
• Exzellent für bandbreitenintensive Anwendungen wie Kommunikation und Signalverarbeitung.
• Moderate Energieaufnahme.

Nachteile:

• Höhere Kosten und Energieverbrauch im Vergleich zur Artix-7-Familie.
• Für einfachere Anwendungen möglicherweise überdimensioniert.

3. Virtex-7 FPGA: Höchste Leistung für komplexe Anwendungen

Überblick: Die Virtex-7-Familie stellt das High-End-Modell der 7er-Serie dar und bietet die höchste Logikdichte, Leistung und fortschrittliche Funktionen. Diese FPGAs wurden für Anwendungen entwickelt, bei denen maximale Leistung und Integration entscheidend sind.

Hauptmerkmale:

• Logikdichte: Die Virtex-7-Familie unterstützt Geräte mit über 2 Millionen Logikzellen, was sie zu den leistungsstärksten Mitgliedern der 7er-Serie macht. Sie eignen sich für die anspruchsvollsten Anwendungen.
• Hochgeschwindigkeits-Transceiver: Virtex-7-Geräte enthalten ultraschnelle Serientransceiver, die Datenraten von bis zu 28,05 Gbps unterstützen – unerlässlich für leistungsstarke Kommunikations- und Datenverarbeitungsanwendungen.
• Fortgeschrittene DSP-Ressourcen: Die DSP-Ressourcen der Virtex-7-Geräte sind für komplexe Signalverarbeitungsaufgaben wie Echtzeit-Radar, Video-Codierung/-Dekodierung und Hochfrequenzhandel-Algorithmen ausgelegt.
• PCIe Gen3-Unterstützung: Virtex-7 unterstützt PCIe Gen3 x16 und ermöglicht so den Hochgeschwindigkeitsdatenaustausch zwischen dem FPGA und Host-CPUs in Anwendungen wie Hochleistungsrechnen und Speicher.
• Integrierter Speicher: Virtex-7-Geräte verfügen über integrierte Speicherinterfaces und unterstützen DDR3-, DDR4- und QDR II+-Speicher, was extrem hohe Datenbandbreiten für groß angelegte Rechenanwendungen bietet.

Anwendungsfälle:

• Hochleistungsrechnen (HPC): Virtex-7 wird in Supercomputern und Rechenzentren zur Beschleunigung von Algorithmen in wissenschaftlicher Forschung, KI und Big Data eingesetzt.
• Hochgeschwindigkeitskommunikation: Wird in ultraschnellen Netzwerkausrüstungen wie 100G-Ethernet-Switches und optischen Transportsystemen eingesetzt.
• Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung: Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und fortschrittlichen Funktionen wird Virtex-7 in Luft- und Raumfahrtsystemen wie Radarsystemen, Satellitenkommunikation und sicheren Kommunikationssystemen verwendet.

Vorteile:

• Maximale Leistung und Logikdichte.
• Exzellent für Rechenzentrumsanwendungen, Hochgeschwindigkeitskommunikation und wissenschaftliches Rechnen.
• Fortgeschrittene Funktionen wie PCIe Gen3 und Hochgeschwindigkeits-Transceiver.

Nachteile:

• Hoher Energieverbrauch.
• Teuer, was sie für kostensensitive Anwendungen weniger geeignet macht.

4. Zynq-7000: Integrierter ARM-Prozessor und FPGA

Überblick: Die Zynq-7000-Familie bietet eine integrierte Lösung, die einen ARM-basierten Prozessor mit programmierbarer Logik kombiniert, was sie zur idealen Wahl für Anwendungen macht, die sowohl Software- als auch Hardwareprogrammierbarkeit erfordern.

Hauptmerkmale:

• ARM Cortex-A9 Prozessor: Die Zynq-7000-Familie integriert einen oder zwei ARM Cortex-A9-Prozessoren, die eine leistungsstarke Embedded-Verarbeitung für Betriebssysteme, Anwendungen und Software-Algorithmen bieten.
• FPGA-Fabric: Zusätzlich zu den ARM-Kernen enthält der Zynq-7000 programmierbare Logik in Form des 7er FPGA-Fabrics von Xilinx, was den Benutzern ermöglicht, benutzerdefinierte Logik für Hardware-Beschleunigung zu implementieren.
• Flexible I/O: Zynq-7000-Geräte unterstützen eine Vielzahl von I/O-Schnittstellen, einschließlich Hochgeschwindigkeits-Serieninterfaces (wie USB, Ethernet und HDMI), was sie für verschiedene Anwendungen äußerst vielseitig macht.
• Echtzeit-Performance: Die Kombination aus ARM-Prozessor und FPGA-Fabric ermöglicht es der Zynq-7000-Serie, Echtzeitsteuerungen zusammen mit komplexer Daten.