I/O數翻倍，Lattice瞄準工業通信FPGA市場

FPGA在數據時代有什么終極意義？從特性上來講，相比內核執行外算法都凍結的ASIC，可編程內核的FPGA擁有很強的靈活性和適應性；從功用上來講，是摩爾定律放緩后至關重要的協處理器和橋接器件。

在異構計算的大背景下，FPGA愈發追求小尺寸、低功耗和高性能，這看準的便是FPGA固有的特性，可以說FPGA是數據時代現階段最適合的產品。在追求極致性能上，除了增加I/O數量，甚至部分廠商為了追求靈活性和適應性把ASIC塞進了FPGA。

Lattice（萊迪思半導體）是利用28nm FD-SOI（耗盡型絕緣層上硅）這種工藝平衡FPGA的性能和功耗，讓小型FPGA兼具“高性能”也具有“低功耗”兩種特性。從技術上來講，主要是因為FD-SOI可在襯底這部分進行電壓控制，因此反饋偏壓（Back Bias）是可控的，在此方面可自由進行低功耗和高性能的設定切換。

另一方面，傳統使用SRAM制程的FPGA產品容易受到輻射干擾，而28nm FD-SOI則擁有較薄的氧化層，因此關鍵區域的減少，使得軟錯誤率（SEU）隨之而降。同時，與bulk CMOS工藝相比，28nm FD-SOI的漏電也降低了50％。

利用這種28nm FD-SOI的工藝，Lattice在去年專門發布了Lattice Nexus?這一技術平臺進行多系列產品產出，與此同時還發布了首款產品CrossLink-NX。之前，21ic中國電子網曾經也重點對這種工藝的FPGA進行了講解。

而就在第一款產品問世六個月后，日前Lattice宣布發布了這款平臺的第二代產品——Certus?-NX，這款新產品擁有同類型產品脫穎而出的參數和性能，具有更高的I/O密度和功耗，21ic中國電子網記者受邀參加此次發布會。

當然，需要注意的是Lattice一直專注領域屬于中端市場，主營范圍還是低功耗的小型FPGA，產品主要聚焦在功能性和性價比上，本款產品亦是如此。

從整體架構來看，Certus-NX與CrossLink-NX因為都采用的是28nm FD-SOI工藝，所以在特性上非常相似，均可切換低功耗和高性能模式，內嵌嵌入式閃存，配置了特有的DSP模塊進行乘加法。

另外，在邏輯單元上也均為17-40K。在快速啟動方面，兩者均采用Lattice一貫的內嵌閃存，大大降低喚醒時間，達到無縫的視覺體驗。

圖1：Certus-NX詳情

圖2：CrossLink-NX詳情

而從差異性來看，兩款產品擁有兩個關鍵的區分點：

一、Certus-NX去除了硬核MIPI D-PHY 

根據萊迪思現場技術支持總監蒲小雙（Jeffery Pu）的介紹，這主要是考慮到細分子市場對I/O個數的要求而進行的優化，去掉硬核MIPI D-PHY后每平方毫米的I/O個數有了顯著地提升。

記者對兩款產品的參數上進行了對比，兩款產品最小尺寸均為6 x 6 mm（121 csfBGA），CrossLink-NX的I/O數量為72個，而Certus-NX的I/O數量為82個，相當于每平方毫米I/O數量提升了13%。

從應用上來講， MIPI接口大多數與攝像頭和傳感器有關，前一代市場瞄準的是消費級市場嵌入式視覺方面，而本產品則更多發力于網絡邊緣應用添加處理和互連功能，這些應用一般來說強調使用PCle和千兆以太網。正因如此，這一代產品走的便是極致性價比和極致功耗性能，針對不同應用市場將硬核轉化為性能。

二、Certus-NX增添了安全認證ECDSA位流驗證 

Jeffery Pu告訴記者，受到前幾代產品的啟發，包括Lattice以前推出的XO3D產品，內部擁有PFR功能，里面有很復雜的認證，借用這些概念放到新款產品里，這是相對于前一代產品非常明顯的差距。

從技術上來講，ECDSA英文全稱Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，主要原理是創建數據數字簽名，與AES（高級加密標準）不同，ECDSA不會對數據進行加密或阻止數據訪問。當然，這款FPGA另外還是支持強大的AES-256位流加密的。

圖3：Certus-NX實現最小尺寸上的ECDSA位流驗證

從市場上來看，需要在嵌入式視覺方面發力的用戶選擇帶有MIPI接口的CrossLink-NX即可，需要重點在工業、通信上添加處理和互連的則可選用性能更強勁的Certus-NX。

在28nm FD-SOI工藝加持之下，以及Lattice一貫的低功耗FPGA經驗，新產品在同類競品中脫穎而出。需要注意的是，Lattice之前也多次強調自身專注的是消費級的低功耗FPGA，市場既需要追求尖端市場產品的廠商，也需要專注小尺寸產品的FPGA廠商。具體對比如下：

一、3倍的小尺寸，2倍I/O數量，70%I/O速率提升 

Certus-NX在最小尺寸上，僅有6 x 6 mm，在I/O數量和速率上最接近的公司A的50K邏輯單元產品都已達到了10 x 10 mm尺寸了，而公司B的77K邏輯單元產品則達到了11 x 11 mm，相差了3倍之多。

而從I/O數量上來說，一方面，有著28 nm FD-SOI工藝加持，另一方面，畢竟這一代產品砍掉了MIPI硬核，數量提升是相當的明顯的。當然相比傳統工藝產品，28 nm FD-SOI工藝加持之下速率也提升了70%。

 圖4：對比同類競品Certus-NX有明顯優勢

二、4倍功耗降低

Lattice一直以來的優勢便是低功耗，從參數上來看，在極端條件下對比公司B的77K邏輯單元產品最多降低了4倍。

從另一方面來看，低功耗就意味著更低的發熱，在此方面電池就擁有最大化的壽命。這意味著，用電成本、散熱成本、電池更換成本均有所降低。 

圖5：Certus-NX功耗降低4倍

三、12倍配置速度 

配置速度是Lattice一直的強項，從CrossLink-Plus便開始加入這項功能。主要原理上是在產品中內嵌嵌入式閃存，加快了啟動的速度。本代產品依然沿襲了前一代產品的3ms的I/O配置時間。

Jeffery Pu為記者介紹表示，傳統FPGA一般加入的是SPI Flash，啟動速度就取決于SPI的速度。早年傳統FPGA能跑到50Mbps速率就很不錯了，現如今新的SPI Flash基本可以達到130Mbps，但仍然不是能夠達到秒開的效果。

Certus-NX主要使用的是QSPI，相比單通道的SPI，四個通道數據加載速度就會有明顯的提升。不過，需要注意的是這需要FPGA具有相應的設計，才能支持快速配置。

很多情況下，在安全為首的系統中，啟動時間有延遲會帶來一定風險，無縫的啟動顯示既帶來了更好的用戶體驗，也為安全增添了一分色彩。 

圖6：Certus-NX擁有12倍的配置速度

四、100倍降低軟錯誤率（SER） 

從Certus-NX公布的數據來看，40K邏輯單元下SER達到了19.34，相比公司A的50K邏輯單元產品降低了超過100倍。這歸功于28nm FD-SOI這種工藝帶來的普惠，因為這種工藝擁有一層較薄的氧化層，因而減少了關鍵區域，從而降低了軟錯誤率（SER）。

當然，不僅僅是軟錯誤率這一指標，這種工藝還具有抗干擾性，在漏電上也降低了50%。 

圖7：Certus-NX軟錯誤率降低了100倍

除了最新的FPGA，Lattice也在上半年發布了名為Lattice Propel的最新軟件方案。據了解，Lattice Propel開發工具包含兩大特色：IP整合工具Lattice Propel Builder，以及軟件開發工具Lattice Propel SDK。

圖8：Lattice的產品更新路線

Propel意為驅動、推進，這兩個開發工具也切實地進一步推動了FPGA開發自動化。Lattice Propel Builder可讓FPGA開發商以拖動IP區塊形式進行設計，還能夠自動聯機產生代碼；Lattice Propel SDK則具備軟件套件建構、編譯、分析和除錯的應用程序，并以軟件函式庫與開發板級提供支持，讓軟件開發人員能在硬件就緒前進行軟件設計，加速產品上市時程。

值得一提的是Lattice Propel是支持RISC-V IP的，眾所周知RISC-V在嵌入式應用是極其重要的，透過最新FPGA開發環境，行業將迎來新的開發格局。

當然，基于Certus-NX這款產品的相關工具和IP也已提供下載使用，開發者將擁有更好的開發體驗。目前，Certus-NX的樣片已發往多個客戶，開發板已可訂購。

圖9：各類工具和解決方案加速開發

在發布會的最后，Jeffery Pu透露，28nm FD-SOI的Nexus技術平臺的第三代產品將在今年下半年宣發，相關計劃也非常多，低功耗FPGA市場下半年將有更多驚喜值得期待。