重新定義低功耗、小尺寸FPGA

2020-12-04 EDN電子設計技術

物聯網AI、嵌入式視覺、硬體安全、5G通信、工業和汽車自動化等新興應用正在重新定義開發人員設計網絡邊緣產品的硬體要求。為了支持這些應用，網絡邊緣設備的硬體方案需要具備下列特徵：JEtednc

萊迪思的研發工程師幾年前就開始著手FPGA開發工藝的創新，旨在為客戶提供具備上述特性的硬體平臺。最終萊迪思成為業界首個支持28 nm全耗盡型絕緣體上矽（FD-SOI）工藝的低功耗FPGA供應商。該工藝由三星研發，與如今大多數半導體晶片採用的bulk CMOS工藝有些類似，但優勢更為顯著，能在顯著降低器件尺寸和功耗的同時，大幅提升性能和穩定性。JEtednc

除了支持全新的製造平臺，萊迪思還依託其低功耗、小尺寸FPGA領先開發商的行業經驗，在系統設計的各個層面（從完善的系統解決方案到FPGA架構，再到電路）取得創新，進一步降低功耗，減小FPGA尺寸，同時提升系統性能。全新的製造工藝與多個層面的創新催生了萊迪思Nexus™ FPGA開發平臺。JEtednc

萊迪思Nexus重新定義低功耗FPGA

FD-SOI工藝讓萊迪思的工程師能夠開發全新電路設計，充分發揮該工藝的固有優勢。其優勢之一就是FD-SOI支持可編程基體偏壓（body bias），這是一種位於電晶體基體上的塊電阻，能讓開發人員在電晶體運行期間進行動態調節。萊迪思的研發團隊發明的可編程基體偏壓，能夠根據設計的功耗和散熱管理需要，讓器件以高性能模式或低功耗模式運行。只需通過軟體開關即可控制運行模式。開發人員通過對基體偏壓進行編程實現高性能或低功耗之間的切換，可以優化 FPGA 的功耗/性能，更好地滿足應用的功耗和散熱管理需求。這不僅有助於降低電池供電的網絡邊緣設備的功耗，還能降低工業和數據中心等應用的電力成本。根據萊迪思估算，基於Nexus平臺的FPGA的功耗將比同類競品最多減少75%。JEtednc

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圖1：可編程基體偏壓讓使用萊迪思FPGA的開發人員能夠密切控制電路的洩電流，同時對器件進行微調，實現低功耗或高性能模式。JEtednc

萊迪思Nexus加速AI處理性能

為了支持AI等網絡邊緣新興技術，設備的開發人員需要讓系統更加智能。他們的做法是為系統集成更多智能功能，從而讓設備在網絡邊緣端執行實時數據處理和分析。然而AI的設計人員面臨諸多挑戰。AI推理算法需要大量計算，還要求具備大型存儲模塊在本地存儲數值用於計算。以前AI解決方案的開發人員需要高水平的DSP來實現算法時，他們往往選擇外部資源，如系統中或者雲端的另一個處理器。然而在片外執行AI計算會導致數據延遲，此外將客戶數據發送到雲端還會引發數據隱私問題和安全隱患。JEtednc

有了Nexus FPGA技術平臺，萊迪思可以通過集成更大的RAM和優化的DSP模塊在本地存儲數據和執行計算解決延遲問題。Nexus FPGA比之前的萊迪思FPGA性能提升了一倍（同時功耗降低一半），因此開發人員可以在網絡邊緣實現AI推理算法。網絡邊緣AI推理的潛在應用包括自動工業機器人、ADAS系統、安防攝像頭和智能門鈴等。JEtednc

萊迪思Nexus FPGA提供高穩定性

通常的半導體器件由於高能粒子（如宇宙射線和α粒子）撞擊電晶體，性能會受到損害；這一現象被稱為軟錯誤。從軟錯誤中恢復需要重置FPGA，這對於那些不允許系統中斷哪怕幾毫秒的關鍵應用而言，顯然不適用。為了解決這一難題，採用bulk CMOS工藝開發的器件通常會使用一些功能來校正軟錯誤，例如片上軟錯誤校正（SEC）和錯誤代碼校正（ECC）模塊。萊迪思基於Nexus平臺的FPGA不僅支持以上功能，還擁有一層極薄的氧化物（得益於FD-SOI工藝）保護FPGA中的電晶體，防止高能粒子對基底產生影響。因此基於萊迪思Nexus技術平臺開發的FPGA與同類FPGA產品相比，軟錯誤率可降低100多倍。由此帶來穩定性的大幅提升，對於任何應用而言都不失為理想之選，尤其是汽車和工業領域的一些關鍵應用，其器件故障可能導致重大人員傷害和財產損失。JEtednc

小尺寸不在話下

萊迪思Nexus技術平臺還能滿足網絡邊緣設備不斷精簡尺寸的需求。許多FPGA廠商都在設計產品用於數據中心（雲端）的數據分析應用，它們的架構很大，不適用於邏輯單元的數量較少的小型FPGA。萊迪思則專注開發小型、低功耗的FPGA，創造了緊湊的FPGA架構，其器件的物理尺寸比相似邏輯密度的FPGA競品小十倍之多。JEtednc

萊迪思Nexus技術平臺提供完善的系統解決方案

除了Nexus技術平臺上電晶體結構的創新之外，萊迪思還研究了設計過程中更高層次的抽象設計，以了解如何幫助客戶在其應用設計中快速輕鬆地應用Nexus FPGA。萊迪思已經創建或購買並驗證了易於使用、直觀的設計軟體、預先設計的軟IP模塊、評估板、套件以及完整的參考設計等資源，從而實現萊迪思目標市場（通信、計算、工業、汽車和消費電子）的各類常見應用，包括傳感器聚合、傳感器橋接和圖像處理。JEtednc

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圖2：萊迪思為嵌入式視覺市場提供完整的參考設計，讓開發人員快速輕鬆地讓新產品或現有產品設計支持流行的應用。JEtednc

讓我們進一步了解圖2中的傳感器聚合演示，看看這類演示如何幫助客戶快速將產品推向市場。該演示主要用於嵌入式視覺系統，可以從多達四個源獲取視頻數據流，將它們合併為一個數據流，然後通過高速 MIPI D-PHY將其發送到顯示器或處理器以進行後續處理。該演示的潛在應用包括高級駕駛輔助系統（ADAS）。在此應用中開發人員需要從多個攝像頭和/或雷達傳感器收集、匯總數據，然後將其發送給處理器實時做出決策，保障安全。由於無須將多個傳感器連接到汽車應用處理器（AP），開發人員可以簡化系統PCB上的走線，節省寶貴的AP I/O埠，從而降低系統成本，減小總體尺寸。JEtednc

在軟體方面，萊迪思Nexus平臺上的FPGA可搭配設計軟體和萊迪思精選的預驗證IP庫來實現該平臺擬支持的各類應用。JEtednc

推出首款基於萊迪思Nexus的FPGA：CrossLink-NX

CrossLink-NX™ 作為採用萊迪思 Nexus 技術平臺開發的首個新產品系列，將迎來巨大機遇。 全新的 CrossLink-NX FPGA繼承了CrossLink系列FPGA在視頻信號橋接、拆分和聚合等應用中的優勢，同樣支持所有視頻信號應用。得益於萊迪思Nexus開發平臺，CrossLink-NX FPGA系列具有更高的存儲邏輯比、更優化的DSP、更多的邏輯單元和更快的I/O，能夠使用AI算法處理視頻數據，運行速度是之前FPGA的兩倍。此外，在工業和汽車應用中，CrossLink-NX的尺寸比上一代產品小了10倍，軟錯誤率最高降低100倍，大幅提升了可靠性。最後，為進一步加快產品上市時間，萊迪思提供Diamond 2.0 FPGA開發工具、經過驗證的IP模塊以及基於CrossLink-NX FPGA的應用參考設計。JEtednc

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圖3：CrossLink-NX系列FPGA是首款基於萊迪思Nexus技術平臺開發的產品，用於AI和嵌入式視覺應用。JEtednc

結論

如今，快速發展的網絡邊緣設備市場在要求更高性能和可靠性的同時，希望設備具有低功耗和小尺寸的特性。萊迪思向來注重幫助開發人員將智能、低功耗網絡邊緣設備推向市場，服務各類應用。隨著 Nexus平臺的推出，萊迪思半導體可以快速開發新的FPGA，開發人員也可以加速產品開發，滿足新的市場需求。萊迪思Nexus平臺的推出，重新定義了開發人員對小型、低功耗FPGA的期望。JEtednc

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