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          萊迪思Certus?-NX引領通用FPGA創新

            2020年07月29日  

            Certus?-NX是萊迪思Nexus技術平臺上的第二款產品,它將為更廣泛的應用帶來FD-SOI工藝的優勢。這些通用FPGA提供低功耗、小尺寸和靈活的I/O,PCIe Gen2和千兆以太網接口以及高級加密功能。它們適用于智能家居、IoT、消費電子網絡、馬達控制等多個領域的應用。

          引言

            Certus?-NX將萊迪思Nexus FPGA技術平臺的優勢帶到了新市場,主要面向需要PCI Express和千兆以太網互連的應用。新產品系列有兩種型號,分別擁有17K和39K邏輯單元。較大的Certus?-NX-40還提供PCIe Gen2接口,可連接主機處理器、無線或有線通信芯片以及其他許多器件。兩種型號均通過硬核支持千兆以太網,提高了性能和功效。新產品的封裝尺寸遠小于競品的同時,I/O密度增加了一倍。

            Nexus平臺的獨特之處在于采用了FD-SOI工藝。這與之前的CMOS工藝相比有很大區別,能夠極大降低功耗。如圖一所示,Certus?-NX比英特爾和賽靈思的同類產品功耗低3-4倍。Certus?-NX的配置時間極短,能夠讓系統快速啟動。該器件還擁有驗證和加密硬件模塊提升安全性。

            圖1. Lattice Certus?-NX器件。與英特爾和賽靈思的類似FPGA產品相比,Certus?-NX的功耗降低了70-75%。此功耗是針對PCIe Gen2接口,在嚴格測試環境下Tj =85oC,125MHz測得的。(數據來源:供應商功耗計算器)

            Certus?-NX主要面向網絡中的各類控制和計算應用,包括在網絡邊緣運行的自動化工業設備以及5G通信基礎設施和云端數據中心。該FPGA可以處理多種通信協議,其安全特性非常適合聯網設備。在許多情況下,該器件能在執行通信任務時分擔神經網絡(AI)的負載。Certus?-NX還可以連接到模擬電機和傳感器。

          產品概述

            Certus?-NX FPGA提供了靈活的I/O和足夠的門電路來實現各種協議。該器件擁有多達39K邏輯單元,為各類設計提供足夠的邏輯從而使用嵌入式DSP核實現神經網絡或其他加速功能。其硬件加密模塊可加速啟動代碼身份驗證的橢圓曲線(ECDSA)加密和AES批量加密算法。該芯片還包括用于時鐘和數據恢復(CDR)的硬邏輯,支持高達1 Gbps的以太網數據傳輸速率,更好地支持了以太網設計。通過結合該模塊與足量的LUT實現以太網協議,該芯片還可以實現與外部PHY芯片的SGMII連接。

            如圖2所示,Certus?-NX-40包括了PCIe Gen2控制器的硬邏輯用于高速通信。該接口可連接單個速率高達5 Gbps的通道。兩種型號都有兩個12位逐次逼近(SAR)型模數轉換器(ADC),速率高達每秒一百萬個采樣(Msps)。對于其他協議,該芯片的可編程I/O可以實現高達1.5Gbps的單個接口和差分接口,包括LVDS、subLVDS和DRAM (最高為DDR3-1066)。對于這些接口,必須使用LUT資源實現控制器。芯片的邏輯結構包括LUT、嵌入式存儲器和用于DSP功能的18x18位乘法器。芯片邏輯機構外擁有一個大型RAM,可提供高達2.5 Mbit的額外存儲空間。

            圖2. Certus?-NX示意圖。全新FPGA擁有實現AES和橢圓曲線加密的硬核模塊、用于千兆位以太網(SGMII)的時鐘和數據恢復(CDR)、PCIe Gen2控制器以及模數轉換器(ADC)。

            FD-SOI工藝可實現基體偏壓(back-bias),與CMOS工藝相比,漏電降低75%。在1.0V電壓下工作會降低有效功率。該工藝還提高了芯片的可靠性。由于FPGA將其配置存儲在SRAM中,因此隨機軟錯誤可能會導致器件故障(SEU)。相比于CMOS,FD-SOI工藝能夠消除SRAM超過99%的軟錯誤,從根本上避免了SEU的發生。

            Certus?-NX產品提供各種封裝,其中最小尺寸僅為6x6 mm。該設計的低功耗特性減少了電源連接和接地的數量,從而為I/O留出更多空間。最小的封裝尺寸有82個I/O,最大的封裝(14x14 mm)則擁有192個I/O。萊迪思還縮短了將FPGA配置加載到SRAM所需的時間,從而縮短了啟動時間。若使用Quad-SPI連接外部閃存,Certus?-NX-40的啟動時間少于14ms。而I/O在3毫秒內即可完成初始化。

          產品比較

            對于需要PCIe的應用,Certus?-NX-40與市場上的另兩款產品形成競爭關系,即英特爾的Cyclone V和賽靈思Artix-7系列FPGA。后兩者都是具有硬核PCIe接口、采用28nm CMOS工藝的FPGA。對于這款產品,我們都選擇了有50000個邏輯單元的型號作為對比,因為它們下一級較小的型號僅有33000個邏輯單元,遠低于Certus?-NX。如表1所示,這兩款競品的總存儲容量略大,對應的門數也較多,同時還提供更多的DSP模塊。

            表1. 用于PCIe設計的FPGA。Certus?-NX提供更優的加密性能,支持以太網和更快的I/O速度。*該范圍對應不同封裝尺寸;*該數據是針對PCIe Gen2接口,在嚴格測試環境下Tj =85oC,125MHz測得的。(數據來源:除萊迪思外的供應商)

            Certus?-NX在多方面表現出色。它支持最優的加密,提供用戶模式AES加速以及FPGA配置位流的驗證(ECDSA)和加密。英特爾和賽靈思的兩款產品缺少驗證,僅支持AES配置。盡管Cyclone FPGA的兩個PCIe Gen1通道可以提供相同的總帶寬,但它不提供PCIe Gen2支持,并且它不提供用于以太網設計的硬核CDR模塊。Certus?-NX的I/O速度最高,其封裝尺寸僅為其他產品的三分之一,可大大節省電路板面積。

            對于不需要PCIe接口的應用,Certus FPGA則與Cyclone V E系列和Spartan-7系列兩款產品競爭。表2對比了Certus?-NX-17與上述系列中邏輯單元數量相似型號。盡管Certus?-NX的邏輯單元略少,但它的存儲空間更大,既有嵌入式存儲器又有外部的大型存儲器,使其能夠緩沖更多數據或存儲更大的神經網絡。與之前一樣,Certus?-NX在加密方面更為突出,I/O速度更勝一籌。其6x6 mm的極小封裝尺寸所需的電路板面積不到兩款競品的四分之一,并且I/O密度約是它們的兩倍。Certus?-NX也是該組產品中唯一具有以太網硬核的FPGA。

            表2. FPGA用于網絡邊緣設備。Certus?-NX擁有更小的封裝尺寸,抗軟錯誤性能比競品高100多倍,配置時間縮短10多倍。(數據來源:除萊迪思外的供應商)

            Certus?-NX系列產品利用其獨特的FD-SOI技術優勢,在功耗和抗軟錯誤率方面有很大優勢。如圖1所示,在基本的設計實現中,Certus?-NX芯片的功耗比英特爾和賽靈思的產品低3-4倍。萊迪思的芯片只出現19次軟錯誤故障(FIT),穩定性是其余兩款產品的160倍。從quad-SPI存儲器啟動時,Certus?-NX的配置速度也比競品快10倍。其余兩款產品均不提供I/O引腳瞬時啟動功能,而在Certus?-NX上的響應時間僅為3 ms。萊迪思還提供sensAI解決方案集合,讓客戶能夠使用Caffe或TensorFlow工具開發神經網絡。我們期待萊迪思今后可以在Certus?-NX系列器件上提供這些功能。sensAI還包括RTL overlay,可使用整數或二進制計算對FPGA編程,進行神經網絡推理。

          結論

            Certus?-NX的諸多優勢可直接改善終端產品。其6x6 mm的小尺寸封裝可用于更小的電路板設計或節省空間便于添加新的系統功能。類似的FPGA競品封裝尺寸為10x10 mm到 13x13 mm,門數相對較少的型號也是如此。盡管Certus?-NX尺寸很小,但能提供更高的I/O密度,為電路板設計人員提供了極大的靈活性。該芯片采用獨特的FD-SOI技術,比CMOS工藝功耗更低,實現了功耗和尺寸和全面優化。

            對于通信和其他應用,Certus?-NX提供了硬邏輯實現PCIe Gen2和千兆以太網接口,簡化了這些常用標準的實現。該器件靈活的I/O引腳速率高達1.5 Gbps,能比競品FPGA更快地處理通信。為了提高聯網設備的安全性,該系列FPGA還擁有加密模塊,加速批量加密AES和橢圓曲線(ECDSA)驗證。該模塊還可以驗證外部配置存儲器,從而實現安全啟動。除Certus?-NX外,沒有任何一款邏輯單元少于100K個FPGA擁有ECDSA模塊。Certus?-NX初始化速度也比競品器件快10倍,大大減少了終端用戶等待其設備啟動的時間。

            全新FPGA擁有一個A/D轉換器,可以搭配IoT設計中的模擬傳感器。結合PWM模式下的可編程輸出,該ADC很適合用于電機控制。此外,Certus?-NX可以用作加速器,通過萊迪思sensAI平臺或邏輯單元上的特定算法來實現神經網絡。在這些設計中,FPGA可以通過高速PCIe接口直接連接到主機處理器,同

            時僅占用少量引腳。FD-SOI工藝對軟錯誤具有天然的免疫力,因此Certus?-NX是航空航天應用的理想選擇。然而,萊迪思的器件乘法器數量較少,不太適合DSP密集型應用。

            Certus?-NX是基于萊迪思Nexus平臺的第二款產品,它為廣泛的應用領域帶來了FD-SOI工藝的優勢。這些通用FPGA可提供低功耗特性、小尺寸封裝和靈活的I/O以及PCIe Gen2、千兆以太網接口和高級加密功能。它們非常適用于各類網絡邊緣應用,包括智能家居、物聯網和消費電子網絡。此外,它們還可以用于馬達控制和其他模擬應用,或者為AI和其他專用算法提供低功耗高性能的加速服務。萊迪思對這一領域的持續專注,不斷提供獨特和創新功能,讓Certus?-NX在激烈的競爭中脫穎而出。

          (本白皮書由萊迪思贊助,但文中觀點和分析內容為作者所有。)

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