Kits FPGA de alto desempenho: como escolher uma plataforma para aplicações de alto desempenho

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Escolher um FPGA de alta performance não deveria começar pela pergunta “qual é o dispositivo mais rápido?”. Para um projeto real, a pergunta a ser feita é outra: qual recurso está limitando a minha arquitetura para esta aplicação?

O fator limitante pode ser largura de banda entre FPGA e CPU, velocidade dos transceivers para conexão com dispositivos externos, capacidade e frequência de processamento da lógica, banda de acesso à memória ou, em casos de aplicações de RF, a própria cadeia de aquisição e geração de sinais de RF.

Os kits para FPGAs, classificados pela Altera como High Performance, permitem validar a solução antes que a equipe avance para uma placa própria, reduzindo o risco de descobrir limitações de arquitetura apenas nas fases finais do desenvolvimento, quando grande investimento já foi feito no projeto.

Na prática, um development kit pode servir para validar:

Conexão por PCIe e CXL;
Desenpenho de interface Ethernet de alta velocidade;
Interfaces seriais acima de dezenas de gigabits por segundo;
Largura efetiva de banda de memórias tipo DDR ou HBM;
Real capacidade de processamento digital de sinais;
Validar a integração entre FPGA e processador embarcado;
Aceleração de workloads;
Aquisição e geração de RF;
Consumo e comportamento térmico;
Uso de IPs e arquitetura antes do desenvolvimento da PCB final.

Por isso, a escolha do kit deve ser feita considerando-se o gargalo que se pretende validar, e não apenas a quantidade de elementos lógicos disponível no FPGA ou a velocidade da mesma.

O que é um kit FPGA High Performance?

Um kit de desenvolvimento FPGA High Performance é uma plataforma de hardware criada para prototipar e validar sistemas que exigem grandes volumes de processamento ou movimentação de dados.

Normalmente, essas plataformas combinam FPGAs de alta densidade com recursos como a exposição de transceivers de alta velocidade, interfaces PCI Express e CXL, interfaces de memória de alta largura de banda, interfaces ópticas e recursos avançados de clock, energia e de diagnóstico disponíveis.

Na família Agilex 7, por exemplo, a Altera oferece dispositivos com transceivers de até 116 Gbps, PCIe 5.0, interface CXL e, na Serie M, até 32 GB de HBM2e (High Bandwidth Memory de segunda geração).

O objetivo do kit, porém, não é ser utilizado no produto final.

Ele funciona como uma plataforma de validação de arquitetura.

Isso permite que a equipe de desenvolvimento responda perguntas críticas antes de definir o hardware a ser usado no produto final:

A interface atende a taxa de transferência e o desempenho necessário?
Existe margem suficiente de lógica e de blocos de DSP para implementar o produto final, considerando-se também sistemas de teste a serem implementados?
A memória externa tem o desempenho necessário para a minha aplicação?
As latência entre host e FPGA atende aos requisitos necessários para o meu projeto?
O protocolo escolhido funciona na velocidade pretendida?
A arquitetura térmica prevista para o projeto é compatível com a dissipação final esperada no produto?
Quais recursos realmente precisarão estar disponíveis na PCB de produção?

Quando um projeto realmente precisa de um FPGA High Performance?

Nem todo projeto que precisa de um FPGA precisa de uma plataforma de alto desempenho.

Usar um device excessivamente dimensionado aumenta o custo da BOM, o consumo, a complexidade de alimentação, exigências térmicas maiores, como a necessidade de dissipador e, muitas vezes, aumenta o esforço de implementação necessário para concluir o projeto.

Uma plataforma High Performance começa a fazer sentido quando pelo menos um dos seguintes requisitos passa a dominar a arquitetura.

1. A largura de banda de I/O virou o gargalo

Em aplicações de networking, data center, telecom e processamento de vídeo, a capacidade de mover os dados é tão importante quanto de processá-los.

O Agilex 7 I-Series, por exemplo, suporta transceivers de até 116 Gbps e recursos de Ethernet que podem atender aplicações com interface Ethernet de até 400 Gbps.

Isso abre espaço para aplicações como:

equipamentos de rede de alta capacidade;
SmartNICs;
processamento de pacotes;
agregação de interfaces;
telecom;
vídeo de alta largura de banda;
interfaces ópticas de alta velocidade.

Nesse cenário, simplesmente comparar “quantidade de lógica” entre dois FPGAs não responde à principal questão de arquitetura.

É preciso avaliar a combinação entre número e velocidade de transceivers disponíveis, tiles, IPs hardened, conectores disponíveis no kit e protocolo que será validado.

2. O FPGA precisa conversar com uma CPU através de PCIe 5.0 ou CXL

Outra situação aparece quando o FPGA funciona como acelerador conectado a um host.

O Agilex 7 I-Series suporta PCIe 5.0 x16 e Compute Express Link (CXL), permitindo interfaces cache- e memory – coherent com processadores compatíveis com este padrão.

Esse recurso é particularmente relevante para arquiteturas em que CPU e FPGA precisam trabalhar sobre grandes conjuntos de dados com baixa latência.

Um dos development kits I-Series atuais, por exemplo, foi desenvolvido especificamente para avaliação de PCIe 5.0, CXL e networking de alta velocidade, oferecendo PCIe 5.0/CXL x16 e interfaces QSFP-DD para testes de conectividade.

Para o engenheiro, isso significa que o kit pode ser utilizado para validar não apenas o RTL, mas a interação completa entre:

host → interconnect → FPGA → memória → aplicação.

3. O throughput de memória está limitando o processamento

Há projetos em que aumentar o número de blocos de DSPs ou elementos lógicos não resolve o problema.

O FPGA consegue processar os dados, mas a memória não consegue fornecer os dados em uma taxa rápida o suficiente para manter o processamento disponível sempre ocupado.

Esse é um dos principais casos de uso da Agilex 7 M-Series.

A família adiciona uma hierarquia de memória de alta largura de banda com HBM2e, controladores hardened e Memory Network-on-Chip. A Altera informa suporte a até 32 GB de HBM2e e largura de banda de até 1 TB/s, além de disponibilizar interfaces adicionais nos padrões DDR5 e LPDDR5.

Isso torna a arquitetura particularmente relevante para workloads como:

processamento de grandes matrizes;
análise e movimentação intensiva de dados;
aceleração computacional;
bancos e tabelas mantidos em memória;
processamento de sinais em grande escala;
determinados pipelines de inferência;
workloads de HPC.

Mas existe um ponto importante: HBM não é automaticamente melhor que DDR.

Se o pipeline não estiver limitado por largura de banda de memória, adicionar HBM aumenta custo e complexidade sem necessariamente gerar ganho proporcional de performance.

É por isso que a M-Series deve ser escolhida a partir de uma análise de memory bandwidth, e não apenas porque HBM é uma tecnologia superior em capacidade de transferência.

Fale com a Macnica DHW sobre componentes de alta performance para seus projetos.

Agilex 7: três arquiteturas para três tipos diferentes de gargalo

A família Agilex 7 é uma das principais plataformas High Performance atuais da Altera e se divide em F-Series, I-Series e M-Series.

As três compartilham a mesma proposta geral de FPGA de alto desempenho, mas foram otimizadas para problemas diferentes.

Agilex 7 F-Series: equilíbrio entre processamento, I/O e consumo

A F-Series é a opção de uso mais amplo dentro da família.

Ela oferece:

aproximadamente 573 mil a 2,7 milhões de elementos lógicos;
transceivers de até 58 Gbps;
PCIe 4.0 x16;
interface DDR4;
opção SoC FPGA com processador Arm Cortex-A53 quad-core.

É uma arquitetura adequada quando o sistema precisa de alto desempenho, mas não depende obrigatoriamente de PCIe 5.0, CXL ou HBM2e.

Exemplo: Agilex 7 F-Series Development Kit P-Tile e E-Tile

O kit DK-DEV-AGF014EB oferece uma plataforma bastante completa para esse tipo de validação.

Entre os recursos presentes estão:

PCIe 4.0 x16;
duas interfaces QSFP-DD;
múltiplos slots DDR4;
ferramentas de teste de board;
monitoramento de clock e potência;
recursos de HPS;
operação standalone ou como placa PCIe.

Para uma equipe de engenharia, esses recursos permitem transformar o kit em bancada de validação para networking, interfaces PCIe, memória e integração FPGA/HPS antes de desenvolver a placa de produção.

Agilex 7 I-Series: quando o problema está na conectividade

Quando o projeto começa a exigir interfaces de alta velocidade mais rápidas ou transceivers operando em taxas acima do que a F-Series oferece, a I-Series passa a ser mais relevante.

A família oferece:

aproximadamente 1,9 a mais de 4 milhões de elementos lógicos;
transceivers de até 116 Gbps;
PCIe 5.0 x16;
CXL;
DDR4;
opção SoC com Arm Cortex-A53 quad-core.

O ponto central aqui não é simplesmente “mais FPGA”. É mais capacidade de interconexão.

Exemplo: Agilex 7 I-Series Development Kit

O Agilex 7 I-Series Development Kit com 2× R-Tile e 1× F-Tile foi desenvolvido para avaliação e prototipagem de aplicações de PCIe 5.0, CXL e networking de alta velocidade.

A placa inclui PCIe 5.0/CXL x16 e duas interfaces QSFP-DD capazes de fornecer até 400 Gbps de throughput agregado na configuração descrita pela Altera.

Esse tipo de plataforma é particularmente interessante quando o objetivo da PoC é descobrir:

throughput real entre host e FPGA;
comportamento do protocolo CXL;
desempenho de PCIe;
utilização dos transceivers;
integridade da arquitetura de rede;
distribuição dos dados dentro do FPGA.

Agilex 7 M-Series: quando a memória passa a definir a arquitetura

A M-Series atende outra classe de problema.

Além dos transceivers de até 116 Gbps e PCIe 5.0, a família incorpora uma arquitetura orientada a workloads com necessidade de banda larga de transferência com a memória.

Segundo a Altera, a M-Series oferece:

até aproximadamente 3,9 milhões de elementos lógicos;
até 38 TFLOPS FP16;
transceivers de até 116 Gbps;
PCIe 5.0;
CXL;
DDR5 e LPDDR5;
até 32 GB de HBM2e;
largura de banda HBM de até 1 TB/s.

Agilex 7 M-Series HBM2e Development Kit

A própria Altera oferece um M-Series HBM2e Development Kit, baseado no dispositivo AGM039, justamente para desenvolvimento e validação de projetos que dependem dessa arquitetura de memória.

Os arquivos disponibilizados para o kit incluem inclusive schematic, layout e BOM da placa, que podem servir como referência para o desenvolvimento de protótipos próprios.

Isso torna a plataforma particularmente útil não apenas para benchmarking do FPGA, mas também para estudar a transição entre a PoC e uma arquitetura de hardware própria.

Agilex 9 Direct RF: quando o gargalo começa antes do FPGA

Existe ainda uma classe de aplicações em que nem memória nem a interface constituem o principal problema.

O gargalo aparece na própria aquisição ou geração de sinais analógicos de alta frequência.

É o caso de:

sistemas de radar;
sistemas de guerra eletrônica;
equipamentos para instrumentação;
dispositivos de telecomunicações de banda larga;
sistemas de aquisição de sinais de alta frequência;
aplicações de RF com restrições severas de SWaP.

Para esses cenários, a Altera oferece a Agilex 9 Direct RF-Series, que integra FPGA/SoC FPGA e conversores de dados de alta velocidade dentro da mesma plataforma.

A família oferece configurações com até:

oito canais de ADC/DAC a 64 Gsps;
16 DACs de 12 Gsps;
20 ADCs de 4 Gsps;
transceivers de até 58 Gbps;
38 TFLOPS de processamento DSP FP16.

O que Direct RF muda na arquitetura?

Em uma arquitetura RF convencional, o sinal pode passar por diferentes estágios de conversão, condicionamento e processamento em dispositivos externos antes de chegar ao FPGA.

A proposta do Direct RF é reduzir parte dessa complexidade ao aproximar os conversores do sistema de processamento programável.

A Altera desenvolveu, em parceria com a Analog Devices, a família Agilex 9, com um CODEC de RF integrado à FPGA, no mesmo dispositivo, que permite largura de banda de RF de até 36 GHz e largura de banda instantânea de até 32 GHz em dispositivos desta família.

O benefício potencial desta solução integrada não é apenas performance.

A integração pode afetar:

Latência total;
footprint da solução completa;
consumo;
sincronização de canais;
quantidade de componentes externos;
complexidade da cadeia de sinal.

Por isso, para definir uma solução que integra RF com uma FPGA a comparação correta não é simplesmente: Agilex 7 versus Agilex 9. A pergunta deve ser: o projeto precisa apenas processar sinais digitais ou precisa também otimizar a aquisição e geração do sinal RF em alta frequência?

Se a segunda situação for verdadeira, Direct RF passa a entrar na discussão.

E o Stratix 10?

O Stratix 10 continua sendo uma plataforma importante no ecossistema Altera, especialmente em projetos existentes, arquiteturas já qualificadas e designs que dependem de recursos específicos da família.

Mas, para um projeto novo, faz mais sentido começar a investigação técnica pelas gerações Agilex quando elas atendem aos requisitos.

Isso não significa que Stratix 10 deva ser descartado.

Em engenharia, fatores como:

IP previamente validado;
código existente;
certificações;
ciclo de vida do produto;
esforço de redesign;
disponibilidade de hardware;
requisitos específicos de interfaces;

podem pesar mais do que escolher automaticamente a geração mais recente.

Portanto, a decisão deve considerar tanto o desempenho do FPGA quanto o custo de migração da plataforma completa.

Deve-se levar em consideração também, ao se fazer esta avaliação, que a maior parte dos itens da família Stratix 10 está prevista hoje para continuar em produção até pelo menos 2035.

Kit de desenvolvimento não é hardware de produção

Esse é um ponto importante na avaliação desses produtos.

Um kit de desehnvolvimento foi projetado para permitir exploração, debug, medição e prototipagem de novos projetos, não é um hardware para ser usado diretamente em um novo produto.

Por isso, normalmente oferece muito mais interfaces, conectores e mecanismos de diagnóstico do que seriam necessários em um produto final.

Já uma placa de produção será desenvolvida em função de requisitos como:

BOM que atenda aos requisitos mas com o menor custo possível;
Dimensões e sistema de fixação e conexão adequadas ao projeto;
Solução de dissipação adequada ao produto final;
Circuito de alimentação que atenda aos requisitos do projeto;
Implementação apenas das interfaces realmente utilizadas;
Cuidados adicionais de EMC/EMI para permitir que o produto passe nos testes de EMI/EMC aos quais deve ser submetido;
Ter a maior confiabilidade possível, com o menor número de componentes possível;
Atender à faixa de temperatura de operação necessária para o produto;
Certificação;
Cuidados com a manutenção do ciclo de vida, selecionando apenas componentes novos e com alta longevidade.

Portanto, escolher um kit de desenvolvimento não significa escolher a placa do produto.

Significa escolher o ambiente no qual a arquitetura será validada.

Como escolher um kit FPGA High Performance

A melhor maneira de selecionar a plataforma é começar focando nos requisitos do sistema a ser implementado.

1. Determine o throughput necessário

Calcule qual a taxa de transferência de dados realmente precisa entrar e sair do FPGA.

Considere nesta escolha:

número de canais;
taxa por canal;
overhead de protocolo;
largura de banda bidirecional total necessária;
margem de projeto.

Se o problema estiver nos links seriais, a velocidade e a quantidade dos transceivers passam a ser os critérios principais para definir a escolha.

2. Determine a largura de banda de memória

Não considere apenas a capacidade em gigabytes. Calcule qual a taxa de dados precisa ser lido e escrito por segundo.

Se DDR4/5 já atender à demanda, o uso de solução com HBM2 pode ser descartada. Por outro lado, se a banda com a memória estiver impedindo o fabric de atingir o throughput desejado, uma arquitetura como a Agilex 7 M-Series passa a ser tecnicamente justificável e a melhor alternativa.

3. Avalie a interface com o host

Se houver CPU ou servidor externo conectado ao FPGA, para fazer a escolha avalie:

qual geração de PCIe está disponível no host;
quantos lanes estão disponíveis e quantos atendem à necessidade do produto;
qual a latência máxima tolerável;
tenho ou não disponibilidade e necessidade de usar CXL;
modelo de movimentação de dados;
topologia do sistema final necessária.

Esses requisito podem ser justamente o que separam o uso de uma Agilex 7 F-Series de uma I-Series.

4. Calcule recursos de processamento

Avalie a real necessidade do projeto do uso dos recursos internos do FPGA considerando:

quanto de lógica é necessária;
qual a capacidade de processamento DSP será necessária;
qual precisão numérica usada no projeto (INT4/8/16/32, FP8/12/16/32;
paralelismo;
frequência de clock do sistema requerida e desejada;
quantidade de buffers e tamanho dos buffers necessários;
quanto de memória interna será necessária para atender estes requisitos.

Evite usar apenas percentual estimado de LEs como critério.

Dois projetos com utilização lógica semelhante podem ter demandas completamente diferentes de DSP, memória e I/O.

5. Verifique o que o kit realmente expõe

O dispositivo usado no kit pode suportar determinado recursos e a placa não necessariamente disponibilizá-los da maneira necessária para sua PoC.

Assim, ao escolher um kit de desenvolvimento, analise sempre:

part number do FPGA para ver se oferece todos os recursos necessários;
tiles presentes;
interfaces disponíveis na placa;
conectores disponíveis na placa;
memória instalada e memória máxima instalável;
opções de geração e recepção de clocks disponíveis na placa;
alimentação;
conectores de expansão disponíveis;
documentação da placa (esquema elétrico, layout e documentos de texto);
exemplos de projetos já disponíveis.

Esse ponto é especialmente importante em famílias com múltiplas configurações de transceivers e tiles disponíveis.

Comparativo: qual arquitetura atende a qual gargalo?

Plataforma	Gargalo principal que atende	Recursos relevantes	Quando avaliar
Agilex 7 F-Series	Processamento + I/O de alta performance	Até 58 Gbps por transceiver, PCIe 4.0 x16, DDR4	Networking, embarcados avançados, processamento de dados e aceleração que não exige PCIe 5.0/CXL/HBM
Agilex 7 I-Series	Interconnect e bandwidth	Até 116 Gbps por transceiver, PCIe 5.0 x16, CXL	Aceleradores, aplicações para data centers, networking de alta capacidade e conexão FPGA-host
Agilex 7 M-Series	Largura de banda de memória	HBM2e até 32 GB e banda de até 1 TB/s, DDR5, PCIe 5.0, CXL	Aplicações para HPC, processamento intensivo de dados e workloads limitados pela banda com a memória
Agilex 9 Direct RF	Aquisição/geração de sinais de RF	ADC/DAC integrados, até 64 Gsps, processamento DSP	Radar, EW, aplicações SDR, instrumentação e telecom wideband
Stratix 10	Continuidade e arquiteturas já consolidadas	Varia conforme série/device	Projetos legados, designs qualificados e aplicações com requisitos específicos que requeiram esta plataforma

As capacidades dependem do dispositivo usado e de configurações específicas do projeto. A seleção de um FPGA ou development kit deve sempre ser validada pelo part number a ser usado e pela documentação do kit correspondente.

Agilex 7 F-Series, I-Series ou M-Series: qual escolher?

Uma forma simples de iniciar a seleção é olhar para o gargalo dominante:

Escolha F-Series quando:
O sistema precisa de um FPGA de alto desempenho, mas PCIe 4.0, DDR4 e transceivers de até 58 Gbps atendem às necessidades do projeto.

Avalie I-Series quando:
PCIe 5.0, CXL ou transceivers de até 116 Gbps passam a ser requisitos relevantes.

Avalie M-Series quando:
O desempenho está sendo limitado principalmente pela movimentação de dados para e da memória.

Não há vantagem técnica em migrar automaticamente de F para I ou M apenas porque a plataforma superior possui especificações maiores.

A arquitetura mais adequada é aquela que atende aos requisitos mantendo margem suficiente sem adicionar complexidade e custo que o projeto não utilizará.

FAQ — Kits FPGA High Performance

Qual é a diferença entre um FPGA de alto desempenho e um FPGA Mid-Range?

FPGAs de alto desempenho priorizam capacidade computacional, densidade, largura de banda de memória e interfaces de alta velocidade, ao passo que FPGAs Mid-Range buscam um equilíbrio diferente entre performance, potência, custo e integração.

Se o projeto não exige recursos como transceivers extremamente rápidos, PCIe 5.0, CXL ou HBM, uma plataforma Mid-Range pode oferecer uma relação custo/performance muito mais interessante.

Agilex 7 F-Series, I-Series ou M-Series: qual é melhor?

Nenhuma é universalmente melhor.

A F-Series atende uma faixa ampla de aplicações de alto desempenho.

A I-Series é mais indicada quando conectividade com um host e I/O de alta velocidade dominam a arquitetura.

A M-Series é voltada a aplicações computacionalmente intensivas e que demandam, para manter a alta capacidade computacional, altas taxas de transferência com uma memória de grande capacidade, maior do que a capacidade de armazenamento disponível nos blocos de memória internos da FPGA.

Qual FPGA Altera suporta PCIe 5.0 e CXL?

As famílias Agilex 7 I-Series e M-Series oferecem suporte a PCIe 5.0 e CXL em configurações compatíveis.

Quando HBM2e faz sentido em um FPGA?

HBM2e faz sentido quando o processamento está limitado pela largura de banda entre memória e FPGA.

A Agilex 7 M-Series oferece até 32 GB de HBM2e e até 1 TB/s de largura de banda, permitindo trabalhar com workloads que movimentam grandes volumes de dados muito rapidamente.

Se memórias do tipo DDR5 já fornecem a largura de banda necessária, porém, usar um FPGA com HBM2 pode não justificar o aumento de custo e complexidade.

Um FPGA para IA precisa ter HBM?

Não necessariamente. A necessidade de HBM depende do modelo, precisão, arquitetura do pipeline, reutilização de dados, tamanho do batch utilizado, número de buffers necessários e largura de banda necessária.

A escolha deve partir de uma estimativa da banda de memória realmente necessária para alcançar o desempenho requerido, e não simplesmente do fato de o workload envolver IA.

Para que CXL é usado em um FPGA?

CXL fornece uma interface de alta velocidade e baixa latência para conexão entre CPUs e aceleradores, incluindo mecanismos de coerência de cache e memória dependendo do tipo de dispositivo e implementação.

Em FPGA, isso é relevante principalmente para aceleradores conectados a servidores e arquiteturas heterogêneas.

Kit de Desenvolvimento e FPGA são a mesma coisa?

Não. O FPGA é um dispositivo semicondutor programável.

O kit de desenvolvimento é uma placa que incorpora esse FPGA junto com os demais circuitos que fazem o FPGA funcionar, como alimentação, memória, clock, conectores, interfaces, circuitos de configuração e recursos de debug para acelerar desenvolvimento e validação.

Posso usar o kit de desenvolvimento diretamente no produto final?

Tecnicamente isso pode até ser possível em determinadas aplicações, mas normalmente não é o objetivo da plataforma.

O kit de desenvolvimento é projetado para desenvolvimento e avaliação de novos projetos, não para ser usado continuamente, durante anos a fio, em um produto. Um produto comercial costuma exigir uma placa dedicada otimizada para custo, tamanho, alimentação, dissipação, interfaces, certificações e condições ambientais.

Antes de escolher o FPGA, identifique o gargalo

Em aplicações de alto desempenho, selecionar o maior FPGA disponível pode parecer uma escolha conservadora. Na prática, pode ser apenas uma forma cara de adiar uma decisão de arquitetura.

Um projeto limitado por PCIe precisa de uma solução diferente de um projeto limitado por memória. Um sistema limitado pelos transceivers exige uma análise diferente de uma aplicação cuja dificuldade está na aquisição RF.

Por isso, a escolha do kit de desenvolvimento deveria acontecer somente depois de mapear:

taxa de transferência → memória → interconexão → processamento → I/O → consumo de potência.

A partir daí, fica muito mais simples determinar se o projeto realmente exige Agilex 7 F-Series, I-Series, M-Series, Agilex 9 Direct RF ou se uma plataforma menos complexa já atende às necessidades do projeto.

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