Smaller FPGAs are here to stay
De fabricage van FPGA’s laat een trend zien in de richting van de ontwikkeling van steeds grotere, snellere en sterkere krachtpatsers voor het verwerken van data, afgestemd op de groeiende behoeftes van grote data-centers. Maar kleinere FPGA’s worden nog steeds volop gebruikt, en ze hebben vele nuttige toepassingen. Bij Technolution, wordt de kleinere FPGA gezien als een extreem flexibele duizendpoot.
Betrouwbare timing, hoge snelheden, lagere kosten
“FPGA’s zijn erg handig wanneer je heel dicht op de hardware moet werken in high-performance systemen,” zegt Edwin Hakkennes. Edwin is gespecialiseerd in programmeerbare logica bij Technolution Advance. Hij werkt momenteel aan een sensor die fluctuaties in spanning en stroom meet in verdeelstations in het elektriciteitsnetwerk. De sensor doet deze metingen met heel hoge snelheden en frequenties, waardoor gebruikers kabellengtes kunnen bepalen tot op enkele meters nauwkeurig. Om deze precisie te halen wisselen sensoren aan beide uiteinden van de kabel signalen uit. Ze meten de tijd die de signalen onderweg zijn en berekenen de lengte van de kabel. Omdat de signalen bijna net zo snel zijn als de lichtsnelheid, moeten de metingen in de sensoren extreem snel en nauwkeurig zijn. Daarom worden FPGA’s gebruikt.
“Met FPGA’s kunnen we grote hoeveelheden data tegelijkertijd verwerken op hele hoge snelheden in een groot aantal parallelle threads,” zegt Edwin. “Dit zorgt voor een hele hoge betrouwbaarheid in de timing van de processen. Dat is precies wat we nodig hebben, want we werken met extreem korte tijdintervallen – denk aan nanoseconden. Als je zo’n extreem snel systeem bouwt en je wilt 100 procent zekerheid over de tijdsynchronisatie, zijn FPGA’s een uitstekende strategie. Ze zijn op hun best in situaties waar je snelheid, veiligheid en betrouwbaarheid nodig hebt.”
Soms is het goedkoper en sneller om gewoon een bestaande processor te kopen. Maar hier niet, zegt Edwin. “We hebben veel geld kunnen besparen in dit project door een FPGA te gebruiken voor de centrale rekenfuncties. Je zou hiervoor ook een speciale ASIC kunnen ontwikkelen en bouwen, maar dat zou erg duur zijn geweest. En er was geen standaardprocessor beschikbaar die aan alle eisen voldeed. Daarom hebben we de vereiste algoritmes geïmplementeerd in programmeerbare logica op de FPGA en de FPGA gecombineerd met twee relatief goedkope bordjes. Het werkt prima. De FPGA moet, behalve de berekeningen, ook een aantal basistaken kunnen doen, zoals de verwerking van ethernetsignalen, data versturen via USB, etc. Voor die taken hebben we een kant-en-klare softcore-processor in de FPGA geïmplementeerd.”
Grip op de ontwikkelinspanningen
De investeringen in tijd en geld voor de ontwikkeling van FPGA-programmering zijn soms moeilijk te beheersen. Een gestructureerde benadering is aan te raden. Om ongewenste vertragingen te voorkomen, maakt Technolution gebruikt van beproefde ontwikkelmethodes uit de softwareontwikkeling, zoals geautomatiseerde testprocedures, een ‘nightly build’ voor regressietesten, en een zeer grondig proces van risico-inventarisatie, probleemoplossing en validatie van de oplossing.
Veiliger dan software
FPGA’s vormen ook het hart van de high assurance producten van Technolution. Volgens Jan Jaap Treurniet, security-specialist bij Technolution, bieden FPGA’s uitstekende security dankzij de voorspelbaarheid en betrouwbaarheid van de programmeerbare logica. Beter dan mogelijk zou zijn met software.
“Als je heel zeker wilt weten dat hackers niet bij jouw versleutelde data kunnen komen, moet je je verdiepen in FPGA’s, zegt Jan Jaap. Wij ontwikkelen lijnvercijferaars, datadiodes en andere high assurance oplossingen die door de overheid zijn goedgekeurd voor gebruik met geclassificeerde informatie. Dankzij FPGA’s bieden deze producten een beveiligingsniveau dat niet mogelijk zou zijn met software. De rekenprocessen die op de FPGA draaien kunnen eenvoudigweg geen andere processen beïnvloeden. Dat komt doordat de verschillende logische functies op de FPGA gescheiden zijn, zoals verschillende kamers in hetzelfde gebouw. Ze lopen niet door elkaar. Als je de programmeerbare logica eenmaal grondig hebt getest en geëvalueerd, kun je erop vertrouwen dat de uitkomst altijd zal zijn wat je verwacht.”
Er is nog een reden waarom FPGA’s bij uitstek geschikt zijn voor security-toepassingen. “Op een FPGA kunnen geheugenblokken data hard worden gekoppeld aan de bewerkingen die worden uitgevoerd”, legt Jan Jaap uit. “Dat is een cruciaal voordeel wanneer je security-oplossingen bouwt. In security-oplossingen die met software zijn gebouwd, wordt de te versleutelen data opgeslagen in geheugenblokken die met een generieke processor zijn verbonden. Dat betekent dat het in een software-implementatie bijna onmogelijk is om te garanderen dat data het systeem pas verlaat als die correct is versleuteld. Met de FPGA’s in onze high assurance producten wordt de data op de FPGA altijd verwerkt en versleuteld in een bekende serie bewerkingen die in een afzonderlijke module met eigen geheugen zijn geïmplementeerd. Als we weer teruggaan naar dat gebouw: je moet altijd naar binnen via de voordeur en door de gang om de woonkamer te bereiken. Je kunt geen kamer overslaan of een kortere route nemen. Daardoor is het risico op het lekken van onversleutelde data heel klein.”
Maar FPGA’s hebben nog meer voordelen. Misschien wel het sterkste verkoopargument van FPGA’s is de mogelijkheid om ze te herprogrammeren, zelfs in bestaande apparaten die al in een productieomgeving draaien. FPGA’s combineren de veiligheid van hardware met de flexibiliteit van software. “In cybersecurity heb je elke dag weer te maken met nog geavanceerdere bedreigingen, zegt Jan Jaap”. “Je moet je kunnen aanpassen. Met de FPGA’s in onze apparaten kunnen we de bescherming en de vercijferingsalgoritmes steeds weer vernieuwen en verbeteren gedurende de levensduur van het apparaat. Klanten hoeven hun apparaten alleen maar up-to-date te houden met de nieuwste firmware.”
Snelheid en beveiliging
Voor snelle en veilige vercijfering zijn FPGA’s bijna niet te verslaan. Technolution heeft met FPGA’s een lijnvercijferaar voor beveiligde verbindingen ontwikkeld. Het apparaat versleutelt en transporteert data met 10 Gbps en een latency van minder dan 50 microseconden. Onze lijnvercijferaars zijn goedgekeurd door de Nederlandse overheid voor geclassificeerde informatie tot en met STG. Geheim.
Harde cijfers
Met 10 Gbps upstream en downstream kan de FPGA in de huidige SigmaXG 20 Gbps verwerken. Deze bandbreedte wordt gebruikt door acht substreams voor het gelijktijdig bekijken van twee quad-view 4K schermweergaves op twee monitoren, en daarnaast een grote hoeveelheid interne video-pipes voor scaling, compositie en verwerking van kleurruimtes. Met al deze processen, inclusief netwerktransport en het schakelen en mixen van audio en video van verschillende bronnen, heeft de hele keten van het verzendende apparaat tot het ontvangende apparaat nog steeds maar een typische latency van minder dan 0,5 milliseconden.
Flexibele functionaliteit
Flexibiliteit en aanpasbaarheid waren ook belangrijke vereisten voor SigmaXG, de video-over-IP oplossing van Technolution. SigmaXG is toegesneden op gebruik in ziekenhuizen en specifiek in operatiekamers, waar betrouwbaarheid en nauwkeurigheid cruciaal zijn.
“We wilden een betrouwbaar, snel product ontwikkelen met nieuwe functies die de concurrentie niet heeft,” vertelt Eric Funke, projectmanager. “Maar we wilden geen ASIC ontwikkelen. ASIC’s zouden waarschijnlijk sneller zijn, maar bij de ontwikkeling van ASIC’s ga je pas winst maken bij een productie vanaf ongeveer 100.000 apparaten. Dat is veel meer dan de aantallen die wij voorzagen. Daarom gingen we voor FPGA’s.”
Snelheid was geen enkel probleem, zo bleek. Het verwerken van video met snelheden tot 10 Gbit per seconde is eigenlijk geen uitdaging voor een goed geprogrammeerde FPGA. SigmaXG kan 4K-video aan met 60 fps en een extreem lage latency, waarbij de gebruiker zonder vertraging kan overschakelen tussen videosignalen. Zelfs bij die snelheden is er nog ruimte over, zegt Eric. “We zouden gemakkelijk meer dan 10G kunnen verwerken als dat nodig zou zijn. De data-pipelines in een FPGA zijn extreem snel. Maar voor onze klanten – wereldwijd opererende elektronicafabrikanten die SigmaXG in hun medische apparatuur inbouwen – ligt de echte kracht van SigmaXG in de flexibiliteit van de FPGA. Als een ziekenhuis nieuwe functionaliteit wil toevoegen, kunnen we die heel snel ontwikkelen en integreren, tegen een fractie van de kosten van de ontwikkeling van een nieuwe ASIC.”
De toekomst van FPGA’s
Het ontwikkelen en testen van de programmeerbare logica voor FPGA’s is grotendeels gestandaardiseerde bij Technolution. Daardoor lijkt het proces erg op softwareontwikkeling, inclusief geautomatiseerde testprotocollen en ‘nightly builds’. Omdat FPGA-fabrikanten FPGA’s nu combineren met ‘normale’ processors, zoals FPGA’s met ingebouwde ARM-processors, verwacht Technolution dat FPGA-ontwikkeling in de toekomst nog verder gestroomlijnd zal worden.
“Je zou kunnen zeggen dat FPGA’s het beste van twee werelden bieden”, concludeert Edwin. “De snelheid en betrouwbaarheid van een hardwareoplossing, en de flexibiliteit en upgrade-mogelijkheden van software. Bovendien zijn ze heel kosteneffectief. FPGA’s bewijzen nog steeds hun waarde. Met FPGA’s creëren we oplossingen die anders niet mogelijk zouden zijn.”
Our colleagues
