萊迪思Certus?-NX引領通用FPGA創(chuàng)新

Certus?-NX是萊迪思Nexus技術平臺上的第二款產(chǎn)品，它將為更廣泛的應用帶來FD-SOI工藝的優(yōu)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(wǎng)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(wǎng)絡、馬達控制等多個領域的應用。本白皮書由萊迪思贊助，但文中觀點和分析內(nèi)容為作者所有。

引言

Certus?-NX將萊迪思Nexus FPGA技術平臺的優(yōu)勢帶到了新市場，主要面向需要PCI Express和千兆以太網(wǎng)互連的應用。新產(chǎn)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(wǎng)，提高了性能和功效。新產(chǎn)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(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的配置時間極短，能夠讓系統(tǒng)快速啟動。該器件還擁有驗證和加密硬件模塊提升安全性。

Certus?-NX主要面向網(wǎng)絡中的各類控制和計算應用，包括在網(wǎng)絡邊緣運行的自動化工業(yè)設備以及5G通信基礎設施和云端數(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)設備。在許多情況下，該器件能在執(zhí)行通信任務時分擔神經(jīng)網(wǎng)絡（AI）的負載。Certus?-NX還可以連接到模擬電機和傳感器。

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PCIe Gen2接口，在嚴格測試環(huán)境下Tj =85oC，125MHz測得的。（數(shù)據(jù)來源：供應商功耗計算器）

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現(xiàn)各種協(xié)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(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)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(shù)據(jù)恢復（CDR）的硬邏輯，支持高達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)設計。通過結(jié)合該模塊與足量的LUT實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議，該芯片還可以實現(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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），速率高達每秒一百萬個采樣（Msps）。對于其他協(xié)議，該芯片的可編程I/O可以實現(xiàn)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(xiàn)控制器。芯片的邏輯結(jié)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。

FD-SOI工藝可實現(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，F(xiàn)D-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(fā)生。

Certus?-NX產(chǎn)品提供各種封裝，其中最小尺寸僅為6x6 mm。該設計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(nèi)即可完成初始化。

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

產(chǎn)品比較

對于需要PCIe的應用，Certus?-NX-40與市場上的另兩款產(chǎn)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(chǎn)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(shù)也較多，同時還提供更多的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配置位流的驗證（ECDSA）和加密。英特爾和賽靈思的兩款產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)品的三分之一，可大大節(jié)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(chǎn)品競爭。表2對比了Certus?-NX-17與上述系列中邏輯單元數(shù)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(shù)據(jù)或存儲更大的神經(jīng)網(wǎng)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(chǎn)品中唯一具有以太網(wǎng)硬核的FPGA。

Certus?-NX系列產(chǎn)品利用其獨特的FD-SOI技術優(yōu)勢，在功耗和抗軟錯誤率方面有很大優(yōu)勢。如圖1所示，在基本的設計實現(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次軟錯誤故障（FIT），穩(wěn)定性是其余兩款產(chǎn)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(chǎn)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(fā)神經(jīng)網(wǎng)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(shù)或二進制計算對FPGA編程，進行神經(jīng)網(wǎng)絡推理。

表1. 用于PCIe設計的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。*該范圍對應不同封裝尺寸；*該數(shù)據(jù)是針對PCIe Gen2接口，在嚴格測試環(huán)境下Tj =85oC，125MHz測得的。（數(shù)據(jù)來源：除萊迪思外的供應商）

結(jié)論

Certus?-NX的諸多優(yōu)勢可直接改善終端產(chǎn)品。其6x6 mm的小尺寸封裝可用于更小的電路板設計或節(jié)省空間便于添加新的系統(tǒng)功能。類似的FPGA競品封裝尺寸為10x10 mm到 13x13 mm，門數(shù)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(xiàn)了功耗和尺寸和全面優(yōu)化。

對于通信和其他應用，Certus?-NX提供了硬邏輯實現(xiàn)PCIe Gen2和千兆以太網(wǎng)接口，簡化了這些常用標準的實現(xiàn)。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(lián)網(wǎng)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(xiàn)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(zhuǎn)換器，可以搭配IoT設計中的模擬傳感器。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(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡。在這些設計中，F(xiàn)PGA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(shù)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(chǎn)品，它為廣泛的應用領域帶來了FD-SOI工藝的優(yōu)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(wǎng)接口和高級加密功能。它們非常適用于各類網(wǎng)絡邊緣應用，包括智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和消費電子網(wǎng)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(xù)專注，不斷提供獨特和創(chuàng)新功能，讓Certus?-NX在激烈的競爭中脫穎而出。

表2. FPGA用于網(wǎng)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(shù)據(jù)來源：除萊迪思外的供應商）