莱迪思Certus™-NX引领通用FPGA创新

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来源: 莱迪思白皮书

Certus™-NX是莱迪思Nexus技术平台上的第二款产品，它将为更广泛的应用带来FD-SOI工艺的优势。这些通用FPGA提供低功耗、小尺寸和灵活的I/O，PCIe Gen2和千兆以太网接口以及高级加密功能。它们适用于智能家居、IoT、消费电子网络、马达控制等多个领域的应用。本白皮书由莱迪思赞助，但文中观点和分析内容为作者所有。

引言

Certus™-NX将莱迪思Nexus FPGA技术平台的优势带到了新市场，主要面向需要PCI Express和千兆以太网互连的应用。新产品系列有两种型号，分别拥有17K和39K逻辑单元。较大的Certus™-NX-40还提供PCIe Gen2接口，可连接主机处理器、无线或有线通信芯片以及其他许多器件。两种型号均通过硬核支持千兆以太网，提高了性能和功效。新产品的封装尺寸远小于竞品的同时，I/O密度增加了一倍。

Nexus平台的独特之处在于采用了FD-SOI工艺。这与之前的CMOS工艺相比有很大区别，能够极大降低功耗。如图一所示，Certus™-NX比英特尔和赛灵思的同类产品功耗低3-4倍。Certus™-NX的配置时间极短，能够让系统快速启动。该器件还拥有验证和加密硬件模块提升安全性。


图1. Lattice Certus™-NX器件。与英特尔和赛灵思的类似FPGA产品相比，Certus™-NX的功耗降低了70-75％。此功耗是针对PCIe Gen2接口，在严格测试环境下Tj =85ºC，125MHz测得的。（数据来源：供应商功耗计算器）

Certus™-NX主要面向网络中的各类控制和计算应用，包括在网络边缘运行的自动化工业设备以及5G通信基础设施和云端数据中心。该FPGA可以处理多种通信协议，其安全特性非常适合联网设备。在许多情况下，该器件能在执行通信任务时分担神经网络（AI）的负载。Certus™-NX还可以连接到模拟电机和传感器。

产品概述

Certus™-NX FPGA提供了灵活的I/O和足够的门电路来实现各种协议。该器件拥有多达39K逻辑单元，为各类设计提供足够的逻辑从而使用嵌入式DSP核实现神经网络或其他加速功能。其硬件加密模块可加速启动代码身份验证的椭圆曲线（ECDSA）加密和AES批量加密算法。该芯片还包括用于时钟和数据恢复（CDR）的硬逻辑，支持高达1 Gbps的以太网数据传输速率，更好地支持了以太网设计。通过结合该模块与足量的LUT实现以太网协议，该芯片还可以实现与外部PHY芯片的SGMII连接。

如图2所示，Certus™-NX-40包括了PCIe Gen2控制器的硬逻辑用于高速通信。该接口可连接单个速率高达5 Gbps的通道。两种型号都有两个12位逐次逼近（SAR）型模数转换器（ADC），速率高达每秒一百万个采样（Msps）。对于其他协议，该芯片的可编程I/O可以实现高达1.5Gbps的单个接口和差分接口，包括LVDS、subLVDS和DRAM （最高为DDR3-1066）。对于这些接口，必须使用LUT资源实现控制器。芯片的逻辑结构包括LUT、嵌入式存储器和用于DSP功能的18x18位乘法器。芯片逻辑机构外拥有一个大型RAM，可提供高达2.5 Mbit的额外存储空间。


图2. Certus™-NX示意图。全新FPGA拥有实现AES和椭圆曲线加密的硬核模块、用于千兆位以太网（SGMII）的时钟和数据恢复（CDR）、PCIe Gen2控制器以及模数转换器（ADC）。

FD-SOI工艺可实现基体偏压（back-bias），与CMOS工艺相比，漏电降低75％。在1.0V电压下工作会降低有效功率。该工艺还提高了芯片的可靠性。由于FPGA将其配置存储在SRAM中，因此随机软错误可能会导致器件故障（SEU）。相比于CMOS，FD-SOI工艺能够消除SRAM超过99％的软错误，从根本上避免了SEU的发生。

Certus™-NX产品提供各种封装，其中最小尺寸仅为6x6 mm。该设计的低功耗特性减少了电源连接和接地的数量，从而为I/O留出更多空间。最小的封装尺寸有82个I/O，最大的封装（14x14 mm）则拥有192个I/O。莱迪思还缩短了将FPGA配置加载到SRAM所需的时间，从而缩短了启动时间。若使用Quad-SPI连接外部闪存，Certus™-NX-40的启动时间少于14ms。而I/O在3毫秒内即可完成初始化。

产品比较

对于需要PCIe的应用，Certus™-NX-40与市场上的另两款产品形成竞争关系，即英特尔的Cyclone V和赛灵思Artix-7系列FPGA。后两者都是具有硬核PCIe接口、采用28nm CMOS工艺的FPGA。对于这款产品，我们都选择了有50000个逻辑单元的型号作为对比，因为它们下一级较小的型号仅有33000个逻辑单元，远低于Certus™-NX。如表1所示，这两款竞品的总存储容量略大，对应的门数也较多，同时还提供更多的DSP模块。


表1. 用于PCIe设计的FPGA。Certus™-NX提供更优的加密性能，支持以太网和更快的I/O速度。*该范围对应不同封装尺寸；*该数据是针对PCIe Gen2接口，在严格测试环境下Tj =85ºC，125MHz测得的。（数据来源：除莱迪思外的供应商）

Certus™-NX在多方面表现出色。它支持最优的加密，提供用户模式AES加速以及FPGA配置位流的验证（ECDSA）和加密。英特尔和赛灵思的两款产品缺少验证，仅支持AES配置。尽管Cyclone FPGA的两个PCIe Gen1通道可以提供相同的总带宽，但它不提供PCIe Gen2支持，并且它不提供用于以太网设计的硬核CDR模块。Certus™-NX的I/O速度最高，其封装尺寸仅为其他产品的三分之一，可大大节省电路板面积。

对于不需要PCIe接口的应用，Certus FPGA则与Cyclone V E系列和Spartan-7系列两款产品竞争。表2对比了Certus™-NX-17与上述系列中逻辑单元数量相似型号。尽管Certus™-NX的逻辑单元略少，但它的存储空间更大，既有嵌入式存储器又有外部的大型存储器，使其能够缓冲更多数据或存储更大的神经网络。与之前一样，Certus™-NX在加密方面更为突出，I/O速度更胜一筹。其6x6 mm的极小封装尺寸所需的电路板面积不到两款竞品的四分之一，并且I/O密度约是它们的两倍。Certus™-NX也是该组产品中唯一具有以太网硬核的FPGA。


表2. FPGA用于网络边缘设备。Certus™-NX拥有更小的封装尺寸，抗软错误性能比竞品高100多倍，配置时间缩短10多倍。（数据来源：除莱迪思外的供应商）

Certus™-NX系列产品利用其独特的FD-SOI技术优势，在功耗和抗软错误率方面有很大优势。如图1所示，在基本的设计实现中，Certus™-NX芯片的功耗比英特尔和赛灵思的产品低3-4倍。莱迪思的芯片只出现19次软错误故障（FIT），稳定性是其余两款产品的160倍。从quad-SPI存储器启动时，Certus™-NX的配置速度也比竞品快10倍。其余两款产品均不提供I/O引脚瞬时启动功能，而在Certus™-NX上的响应时间仅为3 ms。莱迪思还提供sensAI解决方案集合，让客户能够使用Caffe或TensorFlow工具开发神经网络。我们期待莱迪思今后可以在Certus™-NX系列器件上提供这些功能。sensAI还包括RTL overlay，可使用整数或二进制计算对FPGA编程，进行神经网络推理。

结论

Certus™-NX的诸多优势可直接改善终端产品。其6x6 mm的小尺寸封装可用于更小的电路板设计或节省空间便于添加新的系统功能。类似的FPGA竞品封装尺寸为10x10 mm到 13x13 mm，门数相对较少的型号也是如此。尽管Certus™-NX尺寸很小，但能提供更高的I/O密度，为电路板设计人员提供了极大的灵活性。该芯片采用独特的FD-SOI技术，比CMOS工艺功耗更低，实现了功耗和尺寸和全面优化。