I moduli FPGA militari offrono un’elaborazione riconfigurabile e deterministica per i sistemi della difesa e del settore aerospaziale, destinati alla gestione di carichi di lavoro relativi a sensori ad alta larghezza di banda, comunicazioni, radar, guerra elettronica, imaging e controllo. Le architetture disponibili comprendono schede di elaborazione FPGA, System-on-Module, schede mezzanine, SoC FPGA, RFSoC e progetti rinforzati o resistenti alle radiazioni.
Questa pagina presenta i produttori di moduli FPGA che offrono soluzioni VPX, OpenVPX, FMC/FMC+, XMC e PCIe per l’integrazione in computer embedded, avionica, sistemi di missione e carichi utili dei sensori.
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Moduli I/O video e di calcolo ad alte prestazioni rinforzati: 6U e 3U VPX e XMC per applicazioni di difesa
Elettronica robusta per l'elaborazione delle immagini e per applicazioni mission-critical nei sistemi di difesa
Elettronica militare e per la difesa avanzata, elettroottica, termografia, FPGA, sistemi embedded, IoT industriale e soluzioni per l'energia intelligente
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I moduli FPGA militari offrono capacità di elaborazione riconfigurabile per i sistemi della difesa e del settore aerospaziale che richiedono la gestione dei dati ad alta velocità, un funzionamento deterministico e architetture hardware adattabili. Un Field-Programmable Gate Array (FPGA) contiene logica configurabile, interconnessioni programmabili, memoria integrata, risorse di elaborazione del segnale e altri blocchi hardware che possono essere configurati per l’elaborazione specifica per l’applicazione senza richiedere un circuito integrato specifico per l’applicazione (ASIC), consentendo alla stessa piattaforma hardware di supportare funzioni che vanno dall’elaborazione dei sensori e dalle comunicazioni ai sistemi radar e alla guerra elettronica.
I progetti FPGA di livello militare sono comunemente integrati in computer embedded rinforzati, carichi utili dei sensori, apparecchiature di comunicazione, avionica e sistemi di missione. I dispositivi FPGA System-on-Chip (SoC) possono combinare la logica programmabile con i core dei processori, mentre le architetture specializzate Radio-Frequency System-on-Chip (RFSoC) integrano la conversione dei dati ad alta velocità con l’elaborazione digitale, consentendo l’elaborazione di grandi flussi di dati in prossimità del sensore, pur soddisfacendo vincoli rigorosi in termini di latenza, dimensioni, peso, potenza e prestazioni ambientali.
FPGA militare, scheda portante di Kuantek.
L’hardware FPGA militare è particolarmente adatto all’elaborazione in tempo reale poiché numerosi calcoli e percorsi di dati possono operare simultaneamente all’interno della logica programmabile. I moduli FPGA possono elaborare gli input provenienti da sistemi radar, di guerra elettronica, elettro-ottici, a infrarossi, acustici, di navigazione e da altri sistemi di sensori, svolgendo funzioni quali filtraggio, canalizzazione, riduzione dei dati, sincronizzazione e fusione dei sensori prima che le informazioni vengano trasmesse a sistemi di elaborazione di livello superiore.
Le schede FPGA sono in grado di elaborare flussi di immagini e video ad alta larghezza di banda con una latenza prevedibile, rendendole adatte ad applicazioni quali la correzione, il miglioramento, il ridimensionamento, il filtraggio, la compressione e la conversione di formato delle immagini. Possono inoltre pre-elaborare i dati provenienti da sensori elettro-ottici e a infrarossi per carichi di lavoro relativi alla visione artificiale e all’intelligenza artificiale, riducendo la quantità di immagini grezze che devono essere trasferite alle unità di elaborazione centrale (CPU), alle unità di elaborazione grafica (GPU) o ad altro hardware di elaborazione.
Le architetture radar FPGA e di guerra elettronica utilizzano una logica programmabile altamente parallela per operazioni di elaborazione del segnale ad alta intensità computazionale, consentendo l’esecuzione simultanea di più funzioni con bassa latenza. Le applicazioni militari degli FPGA possono includere il beamforming digitale, l’elaborazione degli impulsi, i calcoli della trasformata di Fourier veloce, la canalizzazione, l’analisi dello spettro, il rilevamento dei segnali, la generazione di forme d’onda e l’elaborazione per la radiogoniometria, mentre le interfacce ad alta velocità consentono all’hardware di gestire grandi volumi di dati digitalizzati in radiofrequenza e in frequenza intermedia.
I moduli FPGA per la difesa sono in grado di eseguire l’elaborazione in banda base e a frequenza intermedia per le comunicazioni tattiche, le radio definite dal software, le comunicazioni satellitari e i collegamenti dati. Le funzioni tipiche includono modulazione e demodulazione, conversione digitale verso l’alto e verso il basso, filtraggio, codifica di canale, correzione degli errori ed elaborazione dei pacchetti, mentre la riprogrammabilità consente di introdurre forme d’onda e funzioni di elaborazione aggiornate senza sostituire l’intera architettura hardware.
I moduli FPGA possono fungere da ponte tra diverse interfacce digitali e protocolli di comunicazione all’interno di complessi sistemi elettronici militari, contribuendo a collegare le apparecchiature legacy con le più recenti architetture modulari di elaborazione o di sensori. La logica programmabile è in grado di gestire collegamenti seriali ad alta velocità, Ethernet, Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express), interfacce per sensori, convertitori di dati e bus personalizzati, eseguendo al contempo operazioni di buffering, instradamento, formattazione e controllo della temporizzazione.
L’hardware FPGA è in grado di fornire temporizzazione precisa, attivazione, sincronizzazione e controllo deterministico per l’elettronica distribuita, rendendolo utile laddove diversi sensori o sottosistemi debbano operare in sequenze strettamente coordinate. Le applicazioni nel settore della difesa comprendono la gestione dell’acquisizione dei dati, la generazione di segnali di temporizzazione, la sincronizzazione dei canali, il coordinamento dei sensori e il controllo dell’hardware periferico, con percorsi di temporizzazione dedicati in grado di operare in modo indipendente e simultaneo, anziché affidarsi interamente all’esecuzione sequenziale del software.
Scheda di elaborazione immagini con hardware FPGA, GPU e FPGA di Futuris.
I moduli FPGA militari sono disponibili in diverse architetture adatte a diversi carichi di lavoro di elaborazione, requisiti di integrazione, condizioni ambientali e vincoli di sistema.
La scelta tra questi tipi di moduli FPGA dipende dal carico di lavoro di elaborazione, dai requisiti di interfaccia, dalle condizioni ambientali, dallo spazio disponibile, dai limiti di alimentazione e dall’architettura del sistema nel suo complesso.
I produttori di FPGA per uso militare e i fornitori di schede FPGA offrono hardware di elaborazione in fattori di forma standardizzati e specifici per l’applicazione, ciascuno dei quali fornisce diverse combinazioni di modularità, robustezza, densità di I/O, capacità di raffreddamento e compatibilità con le architetture di calcolo embedded per la difesa.
| Fattore di forma | Caratteristiche principali | Integrazione tipica |
| Schede FPGA VPX e OpenVPX | Architetturadi backplane rinforzata che supporta la connettività seriale ad alta velocità e l’elaborazione embedded scalabile | Sistemi radar, di guerra elettronica, di elaborazione dati di missione e di elaborazione dei dati dei sensori |
| Schede mezzanine FPGA (FMC) e moduli FMC+ conformi allo standard VITA 57 | Standard per schede mezzanine FPGA finalizzati all’aggiunta di funzionalità di conversione dati, networking, RF e altre interfacce I/O ad alta velocità | Sistemi modulari di elaborazione FPGA e interfaccia sensori |
| Moduli FPGA Switched Mezzanine Card (XMC) | Formato mezzanine compatto che supporta PCI Express e altre interfacce ad alta velocità | Computer embedded che richiedono ulteriore accelerazione FPGA o I/O |
| Schede FPGA PCI Express (PCIe) | Schede di accelerazione o elaborazione FPGA che si interfacciano tramite PCI Express | Piattaforme di sviluppo, computer di missione, elaborazione dei segnali e sistemi di dati ad alta velocità |
| Architetture COM Express e carrier embedded | Architetture di elaborazione modulari in grado di combinare moduli di elaborazione con hardware carrier o complementare basato su FPGA | Sistemi integrati di elaborazione e controllo embedded |
| Moduli FPGA personalizzati e specifici per applicazione | Schede progettate appositamente e ottimizzate per interfacce, ingombri meccanici o requisiti di elaborazione specifici | Elettronica per la difesa con vincoli di spazio o altamente specializzata |
La scelta del fattore di forma è strettamente legata alla compatibilità con il backplane, al raffreddamento, alle porte I/O disponibili, alle dimensioni del sistema, alla qualificazione ambientale e alla velocità di trasmissione dati richiesta dall’applicazione.
Diversi sviluppi stanno ampliando la densità di elaborazione, l’integrazione e la sicurezza offerte dall’ingegneria FPGA per le applicazioni nel settore della difesa e aerospaziale.
Nel loro insieme, questi sviluppi stanno aumentando la quantità di elaborazione relativa a radar, comunicazioni, sensori e missioni che può essere eseguita all’interno di moduli FPGA militari compatti, pur mantenendo la riconfigurabilità che contraddistingue la tecnologia FPGA dall’hardware di elaborazione a funzione fissa.
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