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重新定义低功耗通用FPGA的难度有多大?

时间:2020-06-30 作者:邵乐峰 阅读:
Certus-NX系列FPGA是半年内Lattice基于Nexus平台开发出的第二款FPGA产品,主要面向工业、通信等领域。考虑到不同垂直细分领域有各自不同的需求,因此选择在统一平台下实现差异化设计,成为了Lattice的产品规划出发点。
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莱迪思(Lattice)公司日前宣布推出全新Lattice Certus™-NX系列FPGA,这是半年内Lattice基于Nexus平台开发出的第二款FPGA产品,首款产品CrossLink-NX针对嵌入式视觉应用,而此次发布的新产品主要面向工业、通信等领域。

Nexus平台采用28nm FD-SOI工艺制造。官方资料显示,Certus-NX FPGA系列在通用FPGA市场上拥有领先的IO密度,每平方毫米的IO密度最高可达同类FPGA竞品的两倍;支持高速PCI Express(PCIe)和千兆以太网接口,可实现数据协同处理、信号桥接和系统控制。

七大特性

莱迪思现场技术支持总监蒲小双在接受媒体采访时表示,随着工业自动化和5G等技术的发展,开发人员开始寻求为网络边缘应用添加处理和互连功能。为了顺应这种趋势,越来越多的器件开始支持PCIe和千兆以太网等常见接口,网络边缘端设备要在功耗更低、尺寸更小的前提下具备更强的处理和AI功能。当然,对设备开发人员来说,一套包括将产品快速推向市场所需的硬件、软件和IP在内的,易于使用、统一的开发平台也是必不可少的。

莱迪思现场技术支持总监蒲小双

莱迪思Certus-NX FPGA的主要特性包括:

  • 尺寸缩小多达3倍——Certus-NX FPGA可以在36 mm2内实现完整的PCIe解决方案。即便是使用Certus-NX FPGA系列的最小封装,其每平方毫米I/O密度仍是同类FPGA竞品的两倍,为桥接应用提供更大的设计灵活性和强大的支持。

  • 可靠的IO连接性能——可以在Certus-NX上使用的主要IP包括:1.5 Gbps差分IO,性能超过竞品FPGA最高可达70%;5 Gbps PCIe、1.5 Gbps SGMII和1066 Mbps DDR3。开发人员可以在Certus-NX开发板上测试这些IP模块,快速实现在Certus-NX FPGA目标应用上常用的接口。
  • 强大的认证和加密——为了保护器件的位流免于未经授权的访问/更改/复制,Certus-NX FPGA支持AES-256加密和ECDSA认证,可在设备的整个生命周期内提供保护。

  • 功耗降低多达4倍——Certus-NX FPGA的可编程基体偏压功能可根据用户的应用需求,可选择高性能或低功耗工作模式。与同类FPGA相比,该系列器件的功耗可降低多达4倍。

  • 瞬时启动——全新器件还通过SPI存储器实现超快的器件配置,其速度最该可达同类FPGA竞品的12倍。单个I/O配置只需3ms,整个器件启动时间仅为8-14ms。

  • 可靠性高——对于安全性要求极高的工业和汽车应用而言,可靠的性能至关重要。这些应用中的器件必须达到预期的性能,以避免对人员和财产造成损害。Certus-NX FPGA为工业温度级器件,抗软错误率(SER)性能最高为同类FPGA的100倍。此外,它还支持片上错误代码校正(ECC)和片上软错误校正(SEC)。

  • 易于使用/设计——Certus-NX FPGA支持易于使用的LatticeRadiant®软件,它提供了统一的FPGA设计环境,集成了优秀的工具和功能,可帮助用户快速高效地开发应用。

统一平台下的差异化设计

蒲小双表示,考虑到不同垂直细分领域有各自不同的需求,因此选择在统一平台下实现差异化设计,成为了Lattice的产品规划出发点。例如同样是基于Lattice Nexus平台,Certus-NX FPGA与CrossLink-NX相比,最大的差别在于Certus-NX为了提升I/O个数,去掉了MIPI硬核,这对于采用PCIe做普通控制的一些客户非常有帮助;第二个区别在于安全认证方面,新产品增加了ECDSA认证,也是受前几代产品的启发,可在设备的整个生命周期内提供保护。

FD-SOI工艺和芯片层面的创新设计为Nexus平台在性能提升、功耗/软错误率降低等方面也带来了明显的优势,例如与BULK CMOS工艺相比,FD-SOI的软失效率就缩小了100倍。此外,对于传统FPGA来说,通常都是外加SPI Flash,FPGA的快慢往往取决于SPI能跑多快,而新的SPI Flash不但在芯片内部进行了专门配置,还可以采用四通道写入数据,有助于配置时间的大幅缩短。

FD-SOI支持的可编程基体偏压特性能够帮助FPGA开发人员实现低功耗或高性能模式

蒲小双还特别谈及了Nexus平台对AI等网络边缘新兴技术的支持。众所周知,设备开发人员在系统中集成更多智能功能,从而让设备在网络边缘端执行实时数据处理和分析,是当前极为普遍的做法。然而AI推理算法需要大量计算,还要求具备大型存储模块在本地存储数值用于计算,这给AI解决方案的开发人员提出了挑战。在实际开发中,当AI设计人员需要高水平DSP来实现算法时,他们往往选择外部资源,如系统中或者云端的另一个处理器。不过,在片外执行AI计算会导致数据延迟,将客户数据发送到云端还会引发数据隐私问题和安全隐患。 

莱迪思的做法是在Nexus FPGA技术平台中集成更大的RAM和优化的DSP模块在本地存储数据和执行计算解决延迟问题。由于Nexus FPGA比之前的莱迪思FPGA性能提升了一倍,功耗降低一半,因此开发人员可以在网络边缘应用(自动工业机器人、ADAS系统、安防摄像头和智能门铃)中实现AI推理算法。

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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