PCI Express通過結(jié)合Nexus FPGA 技術(shù)平臺與 LUT 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議

Certus?-NX 是萊迪思 Nexus 技術(shù)平臺上的第二款產(chǎn)品，它將為更廣泛的應(yīng)用帶來 FD-SOI 工藝的優(yōu)勢。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(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(yīng)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(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)小于競品的同時(shí)，I/O 密度增加了一倍。

Nexus 平臺的獨(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。該器件還擁有驗(yàn)證和加密硬件模塊提升安全性。

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(yán)格測試環(huán)境下 Tj =85oC，125MHz 測得的。）

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。

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 的額外存儲空間。

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）。

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(jī)軟錯(cuò)誤可能會導(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，從而縮短了啟動時(shí)間。若使用 Quad-SPI 連接外部閃存，Certus?-NX-40 的啟動時(shí)間少于 14ms。而 I/O 在 3 毫秒內(nèi)即可完成初始化。

產(chǎn)品比較

對于需要 PCIe 的應(yīng)用，Certus?-NX-40 與市場上的另兩款產(chǎn)品形成競爭關(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。對于這款產(chǎn)品，我們都選擇了有 50000 個(gè)邏輯單元的型號作為對比，因?yàn)樗鼈兿乱患壿^小的型號僅有 33000 個(gè)邏輯單元，遠(yuǎn)低于 Certus?-NX。如表 1 所示，這兩款競品的總存儲容量略大，對應(yīng)的門數(shù)也較多，同時(shí)還提供更多的 DSP 模塊。

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。*該范圍對應(yīng)不同封裝尺寸；*該數(shù)據(jù)是針對 PCIe Gen2 接口，在嚴(yán)格測試環(huán)境下 Tj =85oC，125MHz 測得的。

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(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。

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)誤性能比競品高 100 多倍，配置時(shí)間縮短 10 多倍。

Certus?-NX 系列產(chǎn)品利用其獨(dú)特的 FD-SOI 技術(shù)優(yōu)勢，在功耗和抗軟錯(cuò)誤率方面有很大優(yōu)勢。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 存儲器啟動時(shí)，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(shí)啟動功能，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 FPGA 編程，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理。

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(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(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)證外部配置存儲器，從而實(shí)現(xiàn)安全啟動。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 初始化速度也比競品器件快 10 倍，大大減少了終端用戶等待其設(shè)備啟動的時(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。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(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 在激烈的競爭中脫穎而出。
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