FPGA如何為以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)解決低功耗問題

探索新的中檔 FPGA 如何為以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng) （GbE） 鏈路執(zhí)行橋接功能，同時(shí)解決低功耗問題。

雖然 FPGA 通常用于為以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng) （GbE） 鏈路執(zhí)行橋接功能，但它們通常與低功耗相關(guān)聯(lián)。以下是在以太網(wǎng)需求不斷增加和外形尺寸減小的時(shí)代，新的中檔 FPGA 如何解決這個(gè)問題的探索。

在當(dāng)今日益互聯(lián)的世界中，各種工業(yè)、通信和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用對以太網(wǎng)和其他千兆以太網(wǎng) （GbE） 鏈路的需求不斷增長。FPGA 通常用于執(zhí)行 GbE 接口的橋接功能，因?yàn)樗鼈兊脑O(shè)計(jì)成本低、性能高、上市速度快、可重用性以及快速靈活的現(xiàn)場升級組合。

直到最近，它們才以設(shè)計(jì)人員需要的低功耗和易用性而聞名，如果他們要使用單個(gè) FPGA 來創(chuàng)建當(dāng)今包含許多不同 10G 和 1G 接口的混合解決方案。這一切都隨著中端 FPGA 的最新迭代而改變，它在單個(gè)設(shè)備中提供多個(gè) GbE 端口，無需收發(fā)器即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能 1G 接口，從而顯著降低功耗。

專為高能效 GbE 接口而構(gòu)建

支持 10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps 和 10 Gbps 速度的傳統(tǒng)中檔 FPGA 有助于推動對單個(gè)產(chǎn)品中更多連接的需求。這些具有 1G 接口的高端 FPGA 面臨的挑戰(zhàn)是需要收發(fā)器，從而增加功率和封裝尺寸。隨著新的中檔 FPGA 設(shè)備的出現(xiàn)，這種情況已不再存在，這些設(shè)備提供了使用通用輸入輸出 （GPIO） 實(shí)現(xiàn)多個(gè) GbE 接口的更具可擴(kuò)展性的選項(xiàng)。這更加節(jié)能，并且還使開發(fā)人員能夠?qū)⑹瞻l(fā)器的使用保留用于采用 10-Gb/s 以太網(wǎng)、CPRI、JESD204B 和 PCIe 等協(xié)議的高速系統(tǒng)實(shí)施。

GPIO 在當(dāng)今的中檔 FPGA 設(shè)備中很容易使用。它們由每個(gè)引腳后面的高度可配置的接收器和驅(qū)動器電路支持，并且可以動態(tài)調(diào)整信號延遲（包括與時(shí)鐘傳動比相關(guān)的延遲）。它們實(shí)現(xiàn)了每引腳時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù) （CDR） 電路功能，并支持流行的 I/O 標(biāo)準(zhǔn)和終端。

系統(tǒng)實(shí)施

如今，通過配置一對差分 GPIO 輸出引腳和一對差分 GPIO 輸入引腳，可以實(shí)現(xiàn)許多關(guān)鍵的 GbE 接口功能。這些功能包括串行器、解串行器和 CDR，以及用于符號對齊的位滑動功能。硬化的 GPIO 電路與物理編碼子層 （PCS）、媒體訪問控制 （MAC） 和在 FPGA 架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的更高層無縫連接，從而產(chǎn)生高度可配置的 GbE 解決方案。GPIO 支持各種 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，額定電壓在 1.2 V 至 3.3 V 之間，單端標(biāo)準(zhǔn)速度高達(dá) 1.066 Gbps，差分標(biāo)準(zhǔn)速度高達(dá) 1.25 Gbps。

以下高級框圖顯示了如何使用相同的 FPGA 器件實(shí)現(xiàn)兩種不同的 1 GbE 解決方案，一個(gè)通過 GPIO，另一個(gè)通過收發(fā)器。

圖 1. 使用 Microsemi PolarFire FPGA 通過 GPIO 實(shí)現(xiàn) 1 GbE。

圖 2. 使用 Microsemi PolarFire FPGA 在收發(fā)器上實(shí)現(xiàn) 1 GbE。

在第一個(gè)示例中，片上系統(tǒng) （SoC） FPGA 設(shè)計(jì)軟件工具用于通過 GPIO 實(shí)現(xiàn)接口功能。FPGA 的以太網(wǎng)接口 IP 包括一個(gè)內(nèi)核，該內(nèi)核結(jié)合了 GPIO 和 CDR，該內(nèi)核可用于設(shè)備的每個(gè) GPIO bank 通道，為 1 GbE 數(shù)據(jù)傳輸速率提供時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)。器件的每一側(cè)都可以有多個(gè)內(nèi)核共享來自位于 FPGA 架構(gòu)角落的鎖相環(huán) （PLL） 的高速信號。GPIO 內(nèi)核從軟件套件的目錄中實(shí)例化，然后通過選擇數(shù)據(jù)速率（在本例中為 1250 Mbps）進(jìn)行配置。它與 PLL 內(nèi)核和 MAC 發(fā)送和接收邏輯相結(jié)合來完成設(shè)計(jì)。GPIO 內(nèi)核的快照如下圖所示。

圖 3. GPIO 內(nèi)核 GUI 配置器。

功率比較

雖然為 GbE-over-GPIO 實(shí)現(xiàn)實(shí)例化以太網(wǎng)接口 IP 與為收發(fā)器實(shí)現(xiàn)實(shí)例化收發(fā)器內(nèi)核、收發(fā)器 PLL 和參考時(shí)鐘之間的架構(gòu)資源可用性沒有差異，但比較電源效率是另一回事。GPIO CDR 的功耗低于收發(fā)器，從而降低了使用多個(gè) GbE 鏈路的應(yīng)用的功耗。為了比較基于收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)與基于 GPIO 的實(shí)現(xiàn)的功率數(shù)，我們使用了 PolarFire MPF300T 設(shè)備（FCG1152 封裝）的預(yù)先（基于模擬的初始估計(jì)信息）功率數(shù)。

下表列出了單通道 GPIO 或單通道收發(fā)器、8 通道 GPIO 或 8 通道收發(fā)器以及 16 通道 GPIO 或 16 通道收發(fā)器的不同電源軌的總功耗。

表 1：功率比較——1 個(gè)收發(fā)器通道與 1 個(gè) GPIO 通道

表 2：功率比較——8 通道收發(fā)器與 8 通道 GPIO

表 3：功率比較——16 通道收發(fā)器與 16 通道 GPIO

SGMII over GPIO 提供更多優(yōu)勢

最新的中檔 FPGA 還通過在 GPIO 上實(shí)施串行千兆位媒體獨(dú)立接口 （SGMII） 來支持眾多 1Gbps 以太網(wǎng)鏈路。

過去，如果設(shè)計(jì)人員采用更大的封裝和額外的收發(fā)器，他們只能使用中檔 FPGA 來實(shí)現(xiàn)基于 GPIO 的 SGMII。通常，他們不得不轉(zhuǎn)向邏輯元件 （LE） 數(shù)量更多的 FPGA，從而增加了功耗和成本。但是，使用最新的中檔 FPGA，很容易實(shí)現(xiàn) SGMII-over-GPIO，與使用收發(fā)器實(shí)現(xiàn) SGMII 相比，所需的配置塊更少?；?GPIO 的實(shí)現(xiàn)使用跨多個(gè)通道和存儲體的共享 PLL，而收發(fā)器需要專用 PLL，從而降低了 GPIO 的總功耗。

查看下面的資源比較，很明顯，使用 GPIO 可以實(shí)現(xiàn)比收發(fā)器更多的端口。使用 GPIO 的另一個(gè)優(yōu)勢是高速收發(fā)器通道可以保留用于其他協(xié)議，例如 10 GbE、CPRI、Interlaken 和 PCIe。

表 4：資源比較

提供的數(shù)據(jù)適用于 Microsemi PolarFire FPGA。

FPGA 可以成為將更多 GbE 接口封裝到當(dāng)今更小的系統(tǒng)占用空間中的理想解決方案，只要它們能夠滿足日益具有挑戰(zhàn)性的電源要求。最新的中檔 FPGA 通過提供通過 GPIO 使用結(jié)合了 GPIO 和 CDR 的 IP 內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)此接口功能的選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

這種方法無需收發(fā)器即可在單個(gè)設(shè)備中提供多個(gè) GbE 端口，可顯著降低功耗，同時(shí)更容易實(shí)施具有多個(gè) 10G 和 1G 接口端口的混合高性能解決方案，并以非常低的增量擴(kuò)展端口密度總功率增加。該方法對低功耗小型可插拔 （SFP） 模塊、定制工業(yè)交換機(jī)、可擴(kuò)展 L2/L3 交換機(jī)和其他系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員特別有吸引力，他們可以利用小尺寸和大量廉價(jià)、低- 當(dāng)今中檔 FPGA 解決方案提供的高功率和高效 GPIO。