萊迪思Certus?-NX引領(lǐng)通用FPGA創(chuàng)新

Certus?-NX是萊迪思Nexus技術(shù)平臺(tái)上的第二款產(chǎn)品，它將為更廣泛的應(yīng)用帶來FD-SOI工藝的優(yōu)勢(shì)。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(wǎng)接口以及高級(jí)加密功能。它們適用于智能家居、IoT、消費(fèi)電子網(wǎng)絡(luò)、馬達(dá)控制等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本白皮書由萊迪思贊助，但文中觀點(diǎn)和分析內(nèi)容為作者所有。

引言

Certus?-NX將萊迪思Nexus FPGA技術(shù)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)帶到了新市場(chǎng)，主要面向需要PCI Express和千兆以太網(wǎng)互連的應(yīng)用。新產(chǎn)品系列有兩種型號(hào)，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(jī)處理器、無線或有線通信芯片以及其他許多器件。兩種型號(hào)均通過硬核支持千兆以太網(wǎng)，提高了性能和功效。新產(chǎn)品的封裝尺寸遠(yuǎn)小于競(jìng)品的同時(shí)，I/O密度增加了一倍。

Nexus平臺(tái)的獨(dú)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(qū)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(chǎn)品功耗低3-4倍。Certus?-NX的配置時(shí)間極短，能夠讓系統(tǒng)快速啟動(dòng)。該器件還擁有驗(yàn)證和加密硬件模塊提升安全性。

Certus?-NX主要面向網(wǎng)絡(luò)中的各類控制和計(jì)算應(yīng)用，包括在網(wǎng)絡(luò)邊緣運(yùn)行的自動(dòng)化工業(yè)設(shè)備以及5G通信基礎(chǔ)設(shè)施和云端數(shù)據(jù)中心。該FPGA可以處理多種通信協(xié)議，其安全特性非常適合聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。在許多情況下，該器件能在執(zhí)行通信任務(wù)時(shí)分擔(dān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AI）的負(fù)載。Certus?-NX還可以連接到模擬電機(jī)和傳感器。

圖1. Lattice Certus?-NX器件。與英特爾和賽靈思的類似FPGA產(chǎn)品相比，Certus?-NX的功耗降低了70-75％。此功耗是針對(duì)PCIe Gen2接口，在嚴(yán)格測(cè)試環(huán)境下Tj =85oC，125MHz測(cè)得的。（數(shù)據(jù)來源：供應(yīng)商功耗計(jì)算器）

產(chǎn)品概述

Certus?-NX FPGA提供了靈活的I/O和足夠的門電路來實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議。該器件擁有多達(dá)39K邏輯單元，為各類設(shè)計(jì)提供足夠的邏輯從而使用嵌入式DSP核實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他加速功能。其硬件加密模塊可加速啟動(dòng)代碼身份驗(yàn)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(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）的硬邏輯，支持高達(dá)1 Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率，更好地支持了以太網(wǎng)設(shè)計(jì)。通過結(jié)合該模塊與足量的LUT實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議，該芯片還可以實(shí)現(xiàn)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(gè)速率高達(dá)5 Gbps的通道。兩種型號(hào)都有兩個(gè)12位逐次逼近（SAR）型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），速率高達(dá)每秒一百萬個(gè)采樣（Msps）。對(duì)于其他協(xié)議，該芯片的可編程I/O可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)1.5Gbps的單個(gè)接口和差分接口，包括LVDS、subLVDS和DRAM （最高為DDR3-1066）。對(duì)于這些接口，必須使用LUT資源實(shí)現(xiàn)控制器。芯片的邏輯結(jié)構(gòu)包括LUT、嵌入式存儲(chǔ)器和用于DSP功能的18x18位乘法器。芯片邏輯機(jī)構(gòu)外擁有一個(gè)大型RAM，可提供高達(dá)2.5 Mbit的額外存儲(chǔ)空間。

FD-SOI工藝可實(shí)現(xiàn)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(huì)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(chǔ)在SRAM中，因此隨機(jī)軟錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致器件故障（SEU）。相比于CMOS，F(xiàn)D-SOI工藝能夠消除SRAM超過99％的軟錯(cuò)誤，從根本上避免了SEU的發(fā)生。

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

圖2. Certus?-NX示意圖。全新FPGA擁有實(shí)現(xiàn)AES和橢圓曲線加密的硬核模塊、用于千兆位以太網(wǎng)（SGMII）的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）、PCIe Gen2控制器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

產(chǎn)品比較

對(duì)于需要PCIe的應(yīng)用，Certus?-NX-40與市場(chǎng)上的另兩款產(chǎn)品形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)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(duì)于這款產(chǎn)品，我們都選擇了有50000個(gè)邏輯單元的型號(hào)作為對(duì)比，因?yàn)樗鼈兿乱患?jí)較小的型號(hào)僅有33000個(gè)邏輯單元，遠(yuǎn)低于Certus?-NX。如表1所示，這兩款競(jìng)品的總存儲(chǔ)容量略大，對(duì)應(yīng)的門數(shù)也較多，同時(shí)還提供更多的DSP模塊。

Certus?-NX在多方面表現(xiàn)出色。它支持最優(yōu)的加密，提供用戶模式AES加速以及FPGA配置位流的驗(yàn)證（ECDSA）和加密。英特爾和賽靈思的兩款產(chǎn)品缺少驗(yàn)證，僅支持AES配置。盡管Cyclone FPGA的兩個(gè)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(wǎng)設(shè)計(jì)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(chǎn)品的三分之一，可大大節(jié)省電路板面積。

對(duì)于不需要PCIe接口的應(yīng)用，Certus FPGA則與Cyclone V E系列和Spartan-7系列兩款產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。表2對(duì)比了Certus?-NX-17與上述系列中邏輯單元數(shù)量相似型號(hào)。盡管Certus?-NX的邏輯單元略少，但它的存儲(chǔ)空間更大，既有嵌入式存儲(chǔ)器又有外部的大型存儲(chǔ)器，使其能夠緩沖更多數(shù)據(jù)或存儲(chǔ)更大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。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(jìng)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(chǎn)品中唯一具有以太網(wǎng)硬核的FPGA。

Certus?-NX系列產(chǎn)品利用其獨(dú)特的FD-SOI技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在功耗和抗軟錯(cuò)誤率方面有很大優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，在基本的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，Certus?-NX芯片的功耗比英特爾和賽靈思的產(chǎn)品低3-4倍。萊迪思的芯片只出現(xiàn)19次軟錯(cuò)誤故障（FIT），穩(wěn)定性是其余兩款產(chǎn)品的160倍。從quad-SPI存儲(chǔ)器啟動(dòng)時(shí)，Certus?-NX的配置速度也比競(jìng)品快10倍。其余兩款產(chǎn)品均不提供I/O引腳瞬時(shí)啟動(dòng)功能，而在Certus?-NX上的響應(yīng)時(shí)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(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。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(shù)或二進(jìn)制計(jì)算對(duì)FPGA編程，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。

表1. 用于PCIe設(shè)計(jì)的FPGA。Certus?-NX提供更優(yōu)的加密性能，支持以太網(wǎng)和更快的I/O速度。*該范圍對(duì)應(yīng)不同封裝尺寸；*該數(shù)據(jù)是針對(duì)PCIe Gen2接口，在嚴(yán)格測(cè)試環(huán)境下Tj =85oC，125MHz測(cè)得的。（數(shù)據(jù)來源：除萊迪思外的供應(yīng)商）

結(jié)論

Certus?-NX的諸多優(yōu)勢(shì)可直接改善終端產(chǎn)品。其6x6 mm的小尺寸封裝可用于更小的電路板設(shè)計(jì)或節(jié)省空間便于添加新的系統(tǒng)功能。類似的FPGA競(jìng)品封裝尺寸為10x10 mm到 13x13 mm，門數(shù)相對(duì)較少的型號(hào)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(shè)計(jì)人員提供了極大的靈活性。該芯片采用獨(dú)特的FD-SOI技術(shù)，比CMOS工藝功耗更低，實(shí)現(xiàn)了功耗和尺寸和全面優(yōu)化。

對(duì)于通信和其他應(yīng)用，Certus?-NX提供了硬邏輯實(shí)現(xiàn)PCIe Gen2和千兆以太網(wǎng)接口，簡(jiǎn)化了這些常用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。該器件靈活的I/O引腳速率高達(dá)1.5 Gbps，能比競(jìng)品FPGA更快地處理通信。為了提高聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(yàn)證。該模塊還可以驗(yàn)證外部配置存儲(chǔ)器，從而實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)。除Certus?-NX外，沒有任何一款邏輯單元少于100K個(gè)FPGA擁有ECDSA模塊。Certus?-NX初始化速度也比競(jìng)品器件快10倍，大大減少了終端用戶等待其設(shè)備啟動(dòng)的時(shí)間。

全新FPGA擁有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，可以搭配IoT設(shè)計(jì)中的模擬傳感器。結(jié)合PWM模式下的可編程輸出，該ADC很適合用于電機(jī)控制。此外，Certus?-NX可以用作加速器，通過萊迪思sensAI平臺(tái)或邏輯單元上的特定算法來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這些設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA可以通過高速PCIe接口直接連接到主機(jī)處理器，同時(shí)僅占用少量引腳。FD-SOI工藝對(duì)軟錯(cuò)誤具有天然的免疫力，因此Certus?-NX是航空航天應(yīng)用的理想選擇。然而，萊迪思的器件乘法器數(shù)量較少，不太適合DSP密集型應(yīng)用。

Certus?-NX是基于萊迪思Nexus平臺(tái)的第二款產(chǎn)品，它為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域帶來了FD-SOI工藝的優(yōu)勢(shì)。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(wǎng)接口和高級(jí)加密功能。它們非常適用于各類網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用，包括智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和消費(fèi)電子網(wǎng)絡(luò)。此外，它們還可以用于馬達(dá)控制和其他模擬應(yīng)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(wù)。萊迪思對(duì)這一領(lǐng)域的持續(xù)專注，不斷提供獨(dú)特和創(chuàng)新功能，讓Certus?-NX在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。

表2. FPGA用于網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備。Certus?-NX擁有更小的封裝尺寸，抗軟錯(cuò)誤性能比競(jìng)品高100多倍，配置時(shí)間縮短10多倍。（數(shù)據(jù)來源：除萊迪思外的供應(yīng)商）