先進控制FPGA加速推進AI基礎(chǔ)設(shè)施躍遷

控制與安全，是萊迪思(Lattice)MachXO系列FPGA最鮮明的“標(biāo)簽”。從側(cè)重于控制功能的MachXO/MachXO2/MachXO3，到行業(yè)第一顆安全控制FPGA芯片MachXO3D和具備“高端加密功能”的安全控制FPGA Mach-NX，再到“增強型安全控制FPGA”MachXO5-NX，均是如此。

最新推出的MachXO5T-NX FPGA同樣延續(xù)了這樣的特質(zhì)。憑借行業(yè)領(lǐng)先的低功耗和可靠性，通過硬核PCIe接口、更多的邏輯和存儲器資源、支持穩(wěn)定的3.3V I/O以及同類FPGA競品尚不支持的差異化安全功能，成功的將控制FPGA優(yōu)勢拓展到下一代通信、計算和工業(yè)應(yīng)用的控制功能領(lǐng)域。

性能參數(shù)全面增強

與MachXO5-NX相比，MachXO5T-NX FPGA的特色賣點之一是支持PCIe Gen 2硬核模塊，可連接主機處理器和控制FPGA。同時，MachXO5T-NX還專門針對安全和控制管理進行了更進一步的優(yōu)化，MachXO5T-NX-55T/100T兩款產(chǎn)品分別擁有53K/96K邏輯單元密度和146/156個18 X 18乘法器，可提供更強大的計算和控制功能。結(jié)合7.2Mb嵌入式存儲器和高達57Mb的專用用戶閃存，最大限度地減少了對外部存儲器的需求，從而減小設(shè)計電路板面積。

與同類FPGA競品相比，MachXO5T-NX提供高達3.4倍的嵌入式存儲器，高達100倍的專用用戶閃存，邏輯密度與控制接口帶寬均提高了4倍，可輕松應(yīng)對設(shè)計復(fù)雜化的趨勢。同時，集成閃存支持單芯片解決方案，“避免將一些管腳的數(shù)據(jù)流暴露在外，安全性得到提高”，也支持瞬時啟動操作和可靠的現(xiàn)場更新，以及多個配置映像。

MachXO5T-NX同樣基于萊迪思Nexus平臺構(gòu)建，軟錯誤率降低100倍，在提高安全關(guān)鍵型應(yīng)用的系統(tǒng)可靠性同時，簡化了散熱管理并降低了系統(tǒng)總體運營成本。

當(dāng)今的CPU之所以強大，是因為它們使用了最先進的制程工藝，I/O接口電壓基本為1V、1.2V甚至更低。但是，出于成本和性能的考慮，主板上其他組件，比如傳感器、風(fēng)扇控制、LED的制程工藝卻相對落后，主要使用3.3V I/O接口，這容易導(dǎo)致CPU和其他組件之間出現(xiàn)脫節(jié)，無法適配，需要FPGA來進行不同電壓間的轉(zhuǎn)換和應(yīng)用其他控制功能。

而MachXO5T-NX FPGA可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。該器件擁有多達291個通用I/O，支持提前I/O配置并提供1.25 Gbps SGMII、默認下拉、熱插拔和可編程壓擺率等功能，可將CMOS、風(fēng)扇控制、傳感器和開關(guān)等其他組件橋接到當(dāng)今的CPU，從而簡化開發(fā)板設(shè)計。

隨著安全威脅的不斷增加，安全性在任何系統(tǒng)設(shè)計中都越來越重要。MachXO5T-NX支持AES256位流加密和ECC256身份認證，保護系統(tǒng)設(shè)計的完整性。安全引擎也可在運行時使用，保護系統(tǒng)和FPGA之間的數(shù)據(jù)交換。相比之下，同類FPGA競品目前還不能提供運行安全(Run-time security)功能。

實現(xiàn)更高速、更安全的控制

之所以要在控制FPGA中添加PCIe連接功能，是為了滿足客戶希望在下一代計算、工業(yè)和通信應(yīng)用中擴展和實現(xiàn)更高速的控制功能需求，下圖展示了這一應(yīng)用。得益于MachXO5T-NX，F(xiàn)PGA和系統(tǒng)帶PCIe接口的CPU/SoC之間的控制接口帶寬被提高到了最高5Gbps的聚合控制信號，并將其他外圍設(shè)備的實時監(jiān)控和管理功能從功耗更大的CPU/Soc分擔(dān)到MachXO5T-NX FPGA上，從而提高了系統(tǒng)的整體效率、兼容性和性能。

為了更加輕松快速實現(xiàn)設(shè)計，萊迪思MachXO5T-NX開發(fā)板采用了400-ball caBGA封裝的LFMXO5-100T器件。該器件提供各種功能和可編程特性，通過多重引導(dǎo)和PCI Express增強安全控制PLD的功能，其加密引擎支持用戶模式安全功能。除了加密引擎外，還包括許多系統(tǒng)功能，例如四個PLL和3744 kbit嵌入式RAM以及硬核I2C和SPI。LFMXO5-100T FPGA還包括一個硬核PCIe鏈路層IP模塊，支持PCIe Gen1，Gen2 1或2x1配置，其靈活的高性能I/O支持多種單端和差分標(biāo)準(zhǔn)，包括LPDDR4控制器和SLVS。

除此之外，如前文所述，由于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、通信、工業(yè)控制領(lǐng)域中的系統(tǒng)控制架構(gòu)正變得越來越復(fù)雜，控制單板上的芯片越來越多，業(yè)界迫切需要芯片商對系統(tǒng)的設(shè)計和集成做進一步的簡化，這也給了MachXO5-NX系列施展才華的舞臺，開放計算項目(OCP)硬件管理項目的子項目“DC-SCM”(Datacenter-ready Secure Control Module)便是代表性案例。

DC-SCM提供了將常見的服務(wù)器管理、安全和控制功能從主板轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊(CFM)的指南，定義了與CPU板互操作的輸入/輸出端口。DC-SCM服務(wù)器在HPM(主機處理器模塊)板上只有基本的中央計算元件(CPU)、高速存儲器和I/O連接器，其他所有組件均在模塊化DC-SCM(安全、控制、管理)板上。

這種設(shè)計帶來的好處是多樣的，例如DC-SCM能輕松實現(xiàn)CPU/存儲器的設(shè)計和部署，因為管理、安全和控制功能都獨立于CPU/存儲器板的開發(fā)； DC-SCM使用開源模塊化方法，采用高速互連(PCIe)等通用接口，輕松實現(xiàn)互操作性；安全控制模塊的功能相對獨立，使得系統(tǒng)管理和安全性能不斷發(fā)展且獨立于CPU的更新?lián)Q代。

萊迪思非常重視DC-SCM，擁有一系列支持DC-SCM、可信根和用戶電源控制邏輯的FPGA產(chǎn)品，以及經(jīng)過充分驗證的DC-SCM參考設(shè)計，可供更廣泛的DC-SCM客戶和電路板設(shè)計人員使用，幫助他們輕松實現(xiàn)DC-SCM。同時，萊迪思緊密集成的解決方案可以為電路板設(shè)計人員提供統(tǒng)一的單個FPGA解決方案，而無需針對LTPI、安全和控制提出不同的解決方案組合，提高了性能，降低了功耗，且在電路板上占用很小的空間。

結(jié)語

近年來，生成式人工智能工具的興起極大推動了AI的進一步發(fā)展，但這也需要系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施跟上步伐，因為系統(tǒng)控制復(fù)雜性與日俱增，對存儲容量、系統(tǒng)控制接口速度和帶寬要求也不斷增長，還需要使用安全可靠的器件簡化系統(tǒng)設(shè)計與集成。

憑借更高的邏輯密度、更快的接口、更大的內(nèi)部存儲和先進的互連，MachXO5T-NX系列將萊迪思在控制FPGA領(lǐng)域長期以來的優(yōu)勢擴展到了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機器視覺和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域更廣泛的控制功能設(shè)計和應(yīng)用中，鑄就了安全控制FPGA的新里程碑。

審核編輯：湯梓紅