MPSoC (Multiprocessor System-on-Chip) bezeichnet eine System-on-Chip-Architektur, bei der mehrere unterschiedliche Prozessoren und Hardwareeinheiten auf einem einzigen Chip integriert sind. Zwar macht der Begriff auf den ersten Blick den Anschein, dass es sich um eine allgemeine Architektur handelt. Jedoch sind MPSoC-Plattformen allesamt von Xilinx, etwa die Bausteine der Familie Zynq UltraScale+. Der Begriff zielt damit ausschließlich auf die entsprechende Prozessor-FPGA-Architektur.
Inhalt
Architektur
Zynq bzw. MPSoC-Bausteine erweitern das Konzept eines klassischen SoC um eine heterogene Multiprozessorstruktur. Während ein herkömmliches SoC meist einen Hauptprozessor mit Peripherie integriert, enthält ein MPSoC mehrere Prozessoren mit unterschiedlichen Aufgaben. Typisch ist die Kombination aus leistungsstarken Application-Prozessoren (z. B. ARM Cortex-A), Echtzeitprozessoren (z. B. Cortex-R) sowie zusätzlicher programmierbarer Logik. Dadurch können verschiedene Aufgaben – Betriebssystem, Echtzeitsteuerung, Signalverarbeitung oder Hardwarebeschleunigung – parallel auf dem gleichen Chip ausgeführt werden.
Die Architektur der Zynq UltraScale+ MPSoC-Bausteine basiert auf einem heterogenen System-on-Chip-Konzept. Bei MPSoC-Architekturen von Xilinx besteht der Chip üblicherweise aus zwei Hauptbereichen: der Processing System (PS)-Domäne und der Programmable Logic (PL). Das Processing System enthält die Prozessorcluster, Speichercontroller, Kommunikationsschnittstellen und Peripherie. Die Programmable Logic entspricht einer FPGA-Struktur, in der Entwickler eigene Hardwareblöcke implementieren können.
Ein zentraler Bestandteil ist die Application Processing Unit (APU). Diese besteht aus mehreren Arm Cortex-A53 Prozessoren und bildet die klassische Anwendungsplattform des Systems. Auf diesen Kernen laufen typischerweise Betriebssysteme wie Linux oder andere Embedded-OS. Sie übernehmen Aufgaben wie Systemsteuerung, Netzwerkkommunikation, Datenverarbeitung oder komplexe Softwareapplikationen. Die Prozessorcluster verfügen über Cache-Hierarchien und unterstützen SIMD-Beschleunigung durch NEON sowie Floating-Point-Berechnungen.
Neben der APU enthält die Architektur eine Real-Time Processing Unit (RPU) auf Basis der R5-Architektur. Die Kerne verfügen über lokal angebundenen Speicher (TCM) und eine Memory Protection Unit. AMD argumentiert mit den RISC-Kernen funktional sichere Systeme realisierbar zu machen.
Eine zentrale Eigenschaft eines MPSoC ist die interne Hochgeschwindigkeits-Interconnect-Architektur. In vielen Designs basiert diese auf der AMBA-Busarchitektur von Arm, insbesondere auf AXI-Interconnects. Diese verbinden Prozessoren, Speicher und Hardwarebeschleuniger und ermöglichen parallelen Zugriff auf Speicherressourcen sowie deterministische Datenübertragung.
Anwendungsbereich
MPSoCs werden vor allem in Anwendungen eingesetzt, in denen hohe Rechenleistung, deterministische Echtzeitverarbeitung und flexible Hardwareanpassung gleichzeitig erforderlich sind. Typische Einsatzbereiche sind industrielle Steuerungen, Bild- und Signalverarbeitung, Kommunikationssysteme, autonome Systeme, Luft- und Raumfahrttechnik sowie militärische Elektronik.
In der Embedded-Systementwicklung ermöglichen MPSoCs eine enge Kopplung von Software und Hardware innerhalb eines einzigen Bausteins. Entwickler können Funktionen zwischen Prozessorsoftware und FPGA-Logik aufteilen und so eine Architektur schaffen, die sowohl allgemeine Rechenaufgaben als auch spezialisierte Hardwarebeschleunigung unterstützt. Dadurch eignen sich Zynq-Plattformen besonders für komplexe Embedded-Systeme mit hohen Anforderungen an Parallelität, Datenverarbeitung und Systemintegration.
Defence-grade MPSoC
Mit dem Zynq UltraScale+ XQ existiert eine speziell qualifizierte Variante der Zynq UltraScale+ MPSoC-Architektur, die für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie militärischen Systemen vorgesehen ist. Diese Bausteine sind funktional weitgehend identisch mit den zivilen Varianten, erfüllen jedoch zusätzliche Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Temperaturbereich und Lieferkettenkontrolle.
Ein zentrales Merkmal dieser Geräte ist die Langzeitverfügbarkeit. Defense-Grade-Bausteine werden über sehr lange Zeiträume produziert und unterstützt. Für viele Designs wird eine Produktverfügbarkeit von deutlich über 15 Jahren angegeben. Diese langfristige Verfügbarkeit ist in militärischen Programmen entscheidend, da Plattformen oft mehrere Jahrzehnte betrieben werden.