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Proveedores y fabricantes de módulos FPGA
Wolf Advanced Technology
Módulos de E/S de vídeo y computación de alto rendimiento resistentes: 6U y 3U VPX, y XMC para aplicaciones de defensa
Platinum Partner
Futuris Electronic
Procesamiento de imágenes resistente y electrónica de misión crítica para sistemas de defensa
Gold Partner
Kuantek Elektronik
Electrónica avanzada para el ámbito militar y de defensa, electroóptica, imagen térmica, FPGA, sistemas embebidos, IoT industrial y soluciones de energía inteligente
Gold Partner
Guía para prescriptores de módulos FPGA de uso militar
Introducción a los módulos FPGA militares
Los módulos FPGA militares proporcionan un procesamiento reconfigurable para sistemas de defensa y aeroespaciales que requieren un manejo de datos a alta velocidad, un funcionamiento determinista y arquitecturas de hardware adaptables. Una matriz de puertas programables en campo (FPGA) contiene lógica configurable, interconexiones programables, memoria integrada, recursos de procesamiento de señales y otros bloques de hardware que pueden configurarse para el procesamiento específico de cada aplicación sin necesidad de un circuito integrado específico para la aplicación (ASIC), lo que permite que una misma plataforma de hardware admita funciones que van desde el procesamiento de sensores y las comunicaciones hasta el radar y la guerra electrónica.
Los diseños de FPGA de grado militar se integran habitualmente en ordenadores embebidos resistentes, cargas útiles de sensores, equipos de comunicaciones, aviónica y sistemas de misión. Los dispositivos FPGA de sistema en chip (SoC) pueden combinar lógica programable con núcleos de procesador, mientras que las arquitecturas especializadas de sistema en chip de radiofrecuencia (RFSoC) integran la conversión de datos a alta velocidad con el procesamiento digital, lo que permite procesar grandes flujos de datos cerca del sensor al tiempo que se cumplen exigentes restricciones en cuanto a latencia, tamaño, peso, potencia y rendimiento medioambiental.
Aplicaciones de los módulos FPGA militares en los sistemas de defensa
FPGA militar, placa portadora de Kuantek.
Procesamiento de señales y sensores en tiempo real
El hardware de FPGA militar resulta muy adecuado para el procesamiento en tiempo real, ya que muchos cálculos y rutas de datos pueden funcionar simultáneamente dentro de la lógica programable. Los módulos FPGA pueden procesar entradas procedentes de sistemas de radar, guerra electrónica, sistemas electroópticos, infrarrojos, acústicos, de navegación y otros sistemas de sensores, realizando funciones como el filtrado, la canalización, la reducción de datos, la sincronización y la fusión de sensores antes de que la información se transmita a sistemas informáticos de nivel superior.
Procesamiento de imágenes y vídeo
Las placas FPGA pueden procesar flujos de imágenes y vídeo de gran ancho de banda con una latencia predecible, lo que las hace adecuadas para aplicaciones como la corrección, mejora, redimensionamiento, filtrado, compresión y conversión de formato de imágenes. Asimismo, pueden preprocesar datos procedentes de sensores electroópticos e infrarrojos para tareas de visión artificial e inteligencia artificial, reduciendo así la cantidad de imágenes sin procesar que deben transferirse a las unidades centrales de procesamiento (CPU), las unidades de procesamiento gráfico (GPU) u otro hardware de procesamiento.
Procesamiento de radar y guerra electrónica
Las arquitecturas de FPGA para radar y guerra electrónica utilizan lógica programable altamente paralela para operaciones de procesamiento de señales que requieren un gran esfuerzo computacional, lo que permite ejecutar múltiples funciones de forma simultánea con baja latencia. Las aplicaciones militares de las FPGA pueden incluir la formación de haces digitales, el procesamiento de pulsos, los cálculos de la transformada rápida de Fourier, la canalización, el análisis del espectro, la detección de señales, la generación de formas de onda y el procesamiento de radiogoniometría, mientras que las interfaces de alta velocidad permiten que el hardware gestione grandes volúmenes de datos digitalizados de radiofrecuencia y frecuencia intermedia.
Procesamiento de comunicaciones
Los módulos FPGA para defensa pueden realizar el procesamiento en banda base y en frecuencia intermedia para comunicaciones tácticas, radios definidas por software, comunicaciones por satélite y enlaces de datos. Entre las funciones típicas se incluyen la modulación y la demodulación, la conversión digital ascendente y descendente, el filtrado, la codificación de canales, la corrección de errores y el procesamiento de paquetes, mientras que la reprogramabilidad permite introducir formas de onda y funciones de procesamiento actualizadas sin necesidad de sustituir toda la arquitectura de hardware.
Conversión de protocolos y gestión de interfaces
Los módulos FPGA pueden servir de puente entre diferentes interfaces digitales y protocolos de comunicaciones dentro de complejos sistemas electrónicos militares, lo que facilita la conexión de equipos heredados con arquitecturas modulares de computación o de sensores más recientes. La lógica programable puede gestionar enlaces serie de alta velocidad, Ethernet, Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express), interfaces de sensores, convertidores de datos y buses personalizados, al tiempo que realiza funciones de almacenamiento en búfer, enrutamiento, formateo y control de sincronización.
Funciones de control y sincronización
El hardware de los FPGA puede proporcionar sincronización precisa, activación, sincronización y control determinista para la electrónica distribuida, lo que resulta útil cuando varios sensores o subsistemas deben funcionar en secuencias estrechamente coordinadas. Las aplicaciones de defensa incluyen la gestión de la adquisición de datos, la generación de señales de sincronización, la sincronización de canales, la coordinación de sensores y el control de hardware periférico, con rutas de sincronización dedicadas capaces de funcionar de forma independiente y simultánea, en lugar de depender por completo de la ejecución secuencial del software.
Hardware FPGA, placa de procesamiento de imágenes con GPU y FPGA de Futuris. [ /caption]
Principales tipos de módulos FPGA militares
Los módulos FPGA militares están disponibles en varias arquitecturas adaptadas a diferentes cargas de trabajo de procesamiento, requisitos de integración, condiciones ambientales y limitaciones del sistema.
- Sistema en módulo (SoM) FPGA: Estos módulos compactos integran una FPGA o un SoC FPGA con memoria de apoyo, gestión de energía e interfaces, lo que permite incorporar el subsistema de procesamiento a una placa portadora personalizada.
- Módulos mezzanine FPGA: Los diseños mezzanine añaden procesamiento configurable, conversión de datos o entradas/salidas (E/S) especializadas a una placa host de mayor tamaño, al tiempo que mantienen la arquitectura modular del sistema central.
- Placas de procesamiento FPGA: Las placas FPGA completas combinan lógica programable con memoria, conectividad, sincronización, gestión de la alimentación y otros componentes electrónicos de apoyo para su integración en sistemas informáticos embebidos.
- Módulos FPGA de sistema en chip (SoC): Los módulos FPGA SoC combinan la lógica programable con núcleos de procesador integrados, lo que permite que el procesamiento basado en software y la aceleración por hardware dedicada funcionen dentro del mismo dispositivo.
- Módulos RFSoC: Las arquitecturas RFSoC integran la estructura FPGA, recursos de procesador y convertidores analógico-digitales y digital-analógicos de alta velocidad, lo que permite el procesamiento directo o casi directo de señales de radiofrecuencia (RF) de banda ancha.
- Módulos FPGA integrados y resistentes: Estos módulos están diseñados para entornos de defensa y aeroespaciales, en los que los equipos pueden verse sometidos a temperaturas extremas, vibraciones, golpes y condiciones térmicas exigentes.
- Módulos FPGA tolerantes a la radiación y resistentes a la radiación: Las tecnologías FPGA especializadas y las arquitecturas de sistema reducen la susceptibilidad a los efectos de la radiación en naves espaciales y otras plataformas que operan en entornos expuestos a la radiación.
La elección entre estos tipos de módulos FPGA depende de la carga de trabajo de procesamiento, los requisitos de interfaz, las condiciones ambientales, el espacio disponible, los límites de potencia y la arquitectura del sistema en su conjunto.
Formatos de los módulos FPGA
Los fabricantes de FPGA militares y los proveedores de placas FPGA ofrecen hardware de procesamiento en formatos estandarizados y específicos para cada aplicación, cada uno de los cuales proporciona diferentes combinaciones de modularidad, resistencia, densidad de E/S, capacidad de refrigeración y compatibilidad con las arquitecturas informáticas integradas de defensa.
| Formato | Características clave | Integración típica |
| Placas FPGA VPX y OpenVPX | Arquitecturade placa base resistente que admite conectividad serie de alta velocidad y procesamiento integrado escalable | Sistemas de radar, guerra electrónica, informática de misión y procesamiento de sensores |
| Tarjetas mezzanine FPGA (FMC) y módulos FMC+ conforme a la norma VITA 57 | Estándares de tarjetas mezzanine FPGA para añadir conversión de datos, redes, RF y otras E/S de alta velocidad | Sistemas modulares de procesamiento FPGA y de interfaz de sensores |
| Módulos FPGA de tarjeta mezzanine conmutada (XMC) | Formato mezzanine compacto compatible con PCI Express y otras interfaces de alta velocidad | Ordenadores embebidos que requieren aceleración adicional mediante FPGA o E/S |
| Tarjetas FPGA PCI Express (PCIe) | Tarjetas aceleradoras o de procesamiento FPGA que se conectan a través de PCI Express | Plataformas de desarrollo, ordenadores de misión, procesamiento de señales y sistemas de datos de alto rendimiento |
| Arquitecturas COM Express y de portadoras integradas | Arquitecturas informáticas modulares que pueden combinar módulos de procesador con hardware portador o complementario basado en FPGA | Sistemas integrados de procesamiento y control embebidos |
| Módulos FPGA personalizados y específicos para cada aplicación | Placas diseñadas específicamente y optimizadas para interfaces concretas, dimensiones mecánicas o requisitos de procesamiento | Electrónica de defensa con limitaciones de espacio o altamente especializada |
La elección del factor de forma está estrechamente relacionada con la compatibilidad con la placa base, la refrigeración, las E/S disponibles, el tamaño del sistema, la homologación ambiental y el caudal de datos que requiere la aplicación.
Novedades en la tecnología de FPGA para aplicaciones militares
Varios avances están ampliando la densidad de procesamiento, la integración y la seguridad que ofrece la ingeniería de FPGA para aplicaciones de defensa y aeroespaciales.
- Convertidores de datos de RF integrados: la conversión analógico-digital y digital-analógica de alta velocidad se integra cada vez más con la lógica programable y los recursos de procesamiento, lo que acorta las rutas de señal y permite arquitecturas de procesamiento de RF más compactas.
- Procesamiento heterogéneo: la estructura de los FPGA se combina cada vez más con CPU, recursos dedicados al procesamiento de señales, motores de inteligencia artificial (IA) y otros aceleradores, lo que permite distribuir las cargas de trabajo a la arquitectura de procesamiento más adecuada para cada función.
- Arquitecturas modulares abiertas: Los módulos FPGA se están incorporando a arquitecturas informáticas de defensa estandarizadas que admiten tarjetas de procesamiento, sensores, interfaces y electrónica de carga útil interoperables, al tiempo que reducen la dependencia de diseños de sistemas totalmente propietarios.
- Mayor seguridad de los dispositivos: Las FPGA y los dispositivos lógicos programables (PLD) con seguridad de grado militar pueden incorporar capacidades como la configuración autenticada, flujos de bits cifrados, arranque seguro, protección de claves y mecanismos antimanipulación para ayudar a proteger el hardware y el firmware sensibles.
En conjunto, estos avances están aumentando la capacidad de procesamiento de radar, comunicaciones, sensores y misiones que puede realizarse dentro de módulos FPGA militares compactos, al tiempo que se conserva la reconfigurabilidad que distingue a la tecnología FPGA del hardware de procesamiento de función fija.
