重新定义低功耗通用FPGA的难度有多大？

shuszhao

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。
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• 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。
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• 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。
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• 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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重新定义低功耗通用FPGA确实难度很大，但是可实现