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作者：萊迪思(Lattice)公司 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領域的領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”、“優化的功耗和性能”和“領先的安全性能”三方面做出的重大改進。根據規劃，Nexus 2平臺目前推出了3個產品系列：通用FPGA Certus、視頻互連FPGA CrossLink，以及控制&安全FPGA Mach。 
Nexus 2平臺關鍵功能 Nexus 2在接口類型上支持帶PCIe Gen 4控制器的多協議16G SERDES、高性能I/O、高速LPDDR4存儲器接口、以及業界領先的高達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均實現了翻倍。憑借上述優勢，Nexus 2 在訪問存儲器時更為迅速，數據傳輸速率大幅提升，能夠有效提升整體系統性能，降低數據處理延遲，這對于高帶寬數據處理以及視頻橋接等應用場景意義重大。
得益于專為小型FPGA進行的架構和功能優化，Nexus 2平臺在保持低功耗優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，不但實現了更快的連接和數據傳輸、簡化高效的系統設計，還提高了安全關鍵型應用的整體效率、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，網絡邊緣傳感器監控的能效最多提高10倍。 安全性上，為了確保數據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級標準，功能片內集成Flash、快速啟動，以及“FPGA設計和用戶數據傳輸安全”，用以抵御“后量子時代的潛在威脅”，滿足客戶移動數據安全需求。
小身材，大智慧 根據系統邏輯單元、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于對手。 眾所周知，功耗是所有應用中的一個關鍵因素。降低功耗不僅能提高系統效率，還可以延長電池壽命，簡化熱管理，提高器件壽命和可靠性。這些優勢共同降低了總體擁有成本(TCO)，讓低功耗設計備受青睞。測試數據顯示，在0MHz至300 MHz的頻率范圍內進行功耗測量時，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220k系統邏輯單元、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到了128 Gbps，閃存時鐘頻率達到了160MHz，邏輯密度、串行總線速度和DSP邏輯比均是上一代產品的2倍。 考慮到閃存速度、時鐘頻率、接口類型和配置數據大小，是影響FPGA啟動時間的四大關鍵因素，Certus-N2選擇支持速度高達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合，在啟動時間方面具有顯著的優勢，因此Certus-N2在采用4輸入LUT架構的同時也降低了成本。 這樣的特性在實際應用中是備受青睞的。以工業生產安全為例，考慮到在出現故障時，系統必須具備在瞬間恢復工作的能力，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進行設計時的BOM和開發成本。 當然，在考慮總擁有成本時，系統的生命周期維護也至關重要。如前文所述，Nexus 2器件支持后量子安全AES-GCM和SHA-3算法，以及業界公認的ECDSA-521和RSA4K驗證。在發生中斷的情況下，能更快地恢復，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，保持系統運行，不會出現明顯的中斷。 邊緣網絡應用潛力巨大 馬達控制、機器人、汽車區域網關和網絡邊緣監控，是Certus-N2 FPGA的典型應用場景。它們的共同特點是對網絡邊緣人工智能、傳感器與云端互連、以及彈性安全的需求日益增長，需要具備更高數據吞吐量、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體器件。 例如在工業自動化生產線中，其支持的多協議16G SERDES和高速LPDDR4存儲器接口，能快速采集和處理傳感器數據，實現精準控制，確保生產設備穩定運行。憑借低功耗和小尺寸特點，可嵌入小型工業設備或分布式傳感器節點，降低能源消耗和設備成本，提高系統集成度。 再比如隨著自動化機器人技術在工業車間的應用越來越廣泛，這就要求為經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功能可確保機器在工業環境中安全可靠地運行。 而作為現代汽車電氣和電子架構中的一個關鍵組件，汽車區域網關能夠按物理位置管理汽車內的電子系統。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。
Certus-N2 FPGA在汽車分區控制器/網關中的應用 對于電池供電系統或在散熱條件較差的戶外環境中的應用，比如網絡邊緣監控，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，提高系統的可靠性。
而為了幫助設計人員輕松快速實現設計所需的全部資源，萊迪思還推出了專為Certus-N2系列器件的評估和開發而設計的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，可實現傳感器的高效數據輸入和高速數據輸出。 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。開發人員可以通過即將發布的參考設計和演示，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建特定功能的附加卡，從而豐富Nexus 2的生態系統。 結語 在快速發展的技術領域，從以云端為中心到以網絡邊緣為中心的創新轉變正在重塑數據的處理和利用方式。憑借無與倫比的靈活性和性能，萊迪思FPGA正成為開發下一代技術的基石，推動人工智能、機器學習和物聯網的進步，為更智能、更敏捷的系統鋪平道路。 |
