Certus-N2的邊緣網(wǎng)絡(luò)奇旅

2024年12月，隨著“下一代小型FPGA平臺”Nexus? 2和基于該平臺的首個器件系列Certus?-N2通用FPGA的面世，萊迪思(Lattice)公司在小型FPGA領(lǐng)域的領(lǐng)先地位再次得到強化。

所謂“小型FPGA平臺”，通常是指邏輯密度低于200K SLC(系統(tǒng)邏輯單元)的FPGA。而之所以被稱之為“下一代”，則是指Nexus 2在“先進的互連”、“優(yōu)化的功耗和性能”和“領(lǐng)先的安全性能”三方面做出的重大改進。根據(jù)規(guī)劃，Nexus 2平臺目前推出了3個產(chǎn)品系列：通用FPGA Certus、視頻互連FPGA CrossLink，以及控制&安全FPGA Mach。

Nexus 2平臺關(guān)鍵功能

Nexus 2在接口類型上支持帶PCIe^? Gen 4控制器的多協(xié)議16G SERDES、高性能I/O、高速LPDDR4存儲器接口、以及業(yè)界領(lǐng)先的高達(dá)7.98 Gbps的MIPI D和C-PHY，閃存接口速度、LPDDR4速率等主要性能指標(biāo)均實現(xiàn)了翻倍。憑借上述優(yōu)勢，Nexus 2 在訪問存儲器時更為迅速，數(shù)據(jù)傳輸速率大幅提升，能夠有效提升整體系統(tǒng)性能，降低數(shù)據(jù)處理延遲，這對于高帶寬數(shù)據(jù)處理以及視頻橋接等應(yīng)用場景意義重大。

得益于專為小型FPGA進行的架構(gòu)和功能優(yōu)化，Nexus 2平臺在保持低功耗優(yōu)勢的同時也提升了可編程速度。與同類競品相比，Nexus 2平臺的MIPI速度提升了3.2倍，配置時間快10倍，尺寸小5倍，單位邏輯DSP翻倍，INT8運算效率也更高，不但實現(xiàn)了更快的連接和數(shù)據(jù)傳輸、簡化高效的系統(tǒng)設(shè)計，還提高了安全關(guān)鍵型應(yīng)用的整體效率、容錯性和安全性。

功耗方面，基于TSMC 16nm FinFET工藝制造，Nexus 2功耗最高降低3倍，提高了電源和散熱設(shè)計的效率，降低了運營成本并增強了可靠性。與同類競品相比，網(wǎng)絡(luò)邊緣傳感器監(jiān)控的能效最多提高10倍。

安全性上，為了確保數(shù)據(jù)完整性和器件可靠性，萊迪思Nexus 2集成了先進的安全特性，包括256位AES-GCM、SHA3-512、ECDSA和RSA，符合FIPS 140-3 2級標(biāo)準(zhǔn)，功能片內(nèi)集成Flash、快速啟動，以及“FPGA設(shè)計和用戶數(shù)據(jù)傳輸安全”，用以抵御“后量子時代的潛在威脅”，滿足客戶移動數(shù)據(jù)安全需求。

小身材，大智慧

根據(jù)系統(tǒng)邏輯單元、查找表、嵌入式存儲、分布式RAM位、DSP、最大16G SerDes通道數(shù)量等特性，Certus-N2 FPGA器件在選型上目前可提供CT06/CT10/CT16/CT20四種類型的產(chǎn)品。與同類型競品相比，以CT20為例，其在功耗、封裝尺寸、啟動時間和總擁有成本等多個方面均優(yōu)于對手。

眾所周知，功耗是所有應(yīng)用中的一個關(guān)鍵因素。降低功耗不僅能提高系統(tǒng)效率，還可以延長電池壽命，簡化熱管理，提高器件壽命和可靠性。這些優(yōu)勢共同降低了總體擁有成本(TCO)，讓低功耗設(shè)計備受青睞。測試數(shù)據(jù)顯示，在0MHz至300 MHz的頻率范圍內(nèi)進行功耗測量時，Certus-N2 CT20的功耗約為競品的1/3。

萊迪思Certus-N2 CT20采用11 x 9 mm2封裝，帶有高速SERDES，比具有類似功能的23 x 23 mm2 AMD Artix Ultrascale+ AU20P封裝還小五倍。事實上，Certus-N2系列中帶SerDes功能的產(chǎn)品封裝尺寸小至9x9 mm²，球間距可選0.5、0.8和1.0mm。

性能方面，CT20擁有多達(dá)220k系統(tǒng)邏輯單元、12Mb嵌入式存儲器和520個18 x 18乘法器，8個SerDes通道的配置使其總帶寬達(dá)到了128 Gbps，閃存時鐘頻率達(dá)到了160MHz，邏輯密度、串行總線速度和DSP邏輯比均是上一代產(chǎn)品的2倍。

考慮到閃存速度、時鐘頻率、接口類型和配置數(shù)據(jù)大小，是影響FPGA啟動時間的四大關(guān)鍵因素，Certus-N2選擇支持速度高達(dá)2400Mbps LPDDR4/DDR4和DDR xSPI閃存接口(8位)，在使用相同時鐘速率時，帶寬是QSPI閃存接口(4位)的四倍。此外，由于更小的位流和更快的配置接口相結(jié)合，在啟動時間方面具有顯著的優(yōu)勢，因此Certus-N2在采用4輸入LUT架構(gòu)的同時也降低了成本。

這樣的特性在實際應(yīng)用中是備受青睞的。以工業(yè)生產(chǎn)安全為例，考慮到在出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)必須具備在瞬間恢復(fù)工作的能力，那么啟動速度就十分重要。下圖對比了外部閃存配置速度，具體的時間值是從INIT有效到DONE信號引腳有效的時間。測試結(jié)果顯示，Certus-N2相比另外兩款競品快出15-20倍。

除了配置位流較小外，Certus-N2還具有更簡單的供電設(shè)計，無需散熱器或占用額外的PCB尺寸，因此外形小巧，功耗更低，降低了使用Certus-N2進行設(shè)計時的BOM和開發(fā)成本。

當(dāng)然，在考慮總擁有成本時，系統(tǒng)的生命周期維護也至關(guān)重要。如前文所述，Nexus 2器件支持后量子安全AES-GCM和SHA-3算法，以及業(yè)界公認(rèn)的ECDSA-521和RSA4K驗證。在發(fā)生中斷的情況下，能更快地恢復(fù)，并將黑客的影響降至最低。此外，Certus-N2可以通過瞬時上電配置快速恢復(fù)，保持系統(tǒng)運行，不會出現(xiàn)明顯的中斷。

邊緣網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用潛力巨大

馬達(dá)控制、機器人、汽車區(qū)域網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)邊緣監(jiān)控，是Certus-N2 FPGA的典型應(yīng)用場景。它們的共同特點是對網(wǎng)絡(luò)邊緣人工智能、傳感器與云端互連、以及彈性安全的需求日益增長，需要具備更高數(shù)據(jù)吞吐量、存儲性能、快速閃存配置、增強時序收斂和并行處理能力的半導(dǎo)體器件。

例如在工業(yè)自動化生產(chǎn)線中，其支持的多協(xié)議16G SERDES和高速LPDDR4存儲器接口，能快速采集和處理傳感器數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，確保生產(chǎn)設(shè)備穩(wěn)定運行。憑借低功耗和小尺寸特點，可嵌入小型工業(yè)設(shè)備或分布式傳感器節(jié)點，降低能源消耗和設(shè)備成本，提高系統(tǒng)集成度。

再比如隨著自動化機器人技術(shù)在工業(yè)車間的應(yīng)用越來越廣泛，這就要求為經(jīng)常與機器打交道的工人提供更多保護，增強的安全性和快速故障恢復(fù)功能可確保機器在工業(yè)環(huán)境中安全可靠地運行。

而作為現(xiàn)代汽車電氣和電子架構(gòu)中的一個關(guān)鍵組件，汽車區(qū)域網(wǎng)關(guān)能夠按物理位置管理汽車內(nèi)的電子系統(tǒng)。使用具有瞬時配置的萊迪思Certus-N2 FPGA器件可縮短喚醒時間，確保對外部事件做出及時響應(yīng)。

Certus-N2 FPGA在汽車分區(qū)控制器/網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用

對于電池供電系統(tǒng)或在散熱條件較差的戶外環(huán)境中的應(yīng)用，比如網(wǎng)絡(luò)邊緣監(jiān)控，萊迪思Nexus 2 FPGA可以在空閑期間斷電，并使用瞬時啟動的配置來捕捉下一個處理周期。電源的占空比(Duty-Cycle)功能可進一步降低平均功耗，減少散熱壓力，提高系統(tǒng)的可靠性。

而為了幫助設(shè)計人員輕松快速實現(xiàn)設(shè)計所需的全部資源，萊迪思還推出了專為Certus-N2系列器件的評估和開發(fā)而設(shè)計的Certus-N2評估板，它擁有4通道PCIe Gen 4接口、用于GPIO控制的調(diào)試接頭，并支持各類器件，包括FMC卡、板載LPDDR4存儲器、xSPI配置閃存和USB 3，可實現(xiàn)傳感器的高效數(shù)據(jù)輸入和高速數(shù)據(jù)輸出。

Certus-N2評估板具有與CertusPro-NX Versa板類似的功能和更高的性能，支持16G Serdes、LPDDR4和PCIe Gen4。開發(fā)人員可以通過即將發(fā)布的參考設(shè)計和演示，最大限度地利用該評估板。靈活的FMC接口使萊迪思合作伙伴能夠創(chuàng)建特定功能的附加卡，從而豐富Nexus 2的生態(tài)系統(tǒng)。

結(jié)語

在快速發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，從以云端為中心到以網(wǎng)絡(luò)邊緣為中心的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變正在重塑數(shù)據(jù)的處理和利用方式。憑借無與倫比的靈活性和性能，萊迪思FPGA正成為開發(fā)下一代技術(shù)的基石，推動人工智能、機器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)的進步，為更智能、更敏捷的系統(tǒng)鋪平道路。