重定义FPGA 超低功耗 超小尺寸

重定义FPGA超低功耗超小尺寸莱迪思的研发工程师几年前就开始着手FPGA开发工艺的创新，旨在为客户提供具备上述特性的硬件平台。最终莱迪思成为业界首个支持28nm全耗尽型绝缘体上硅（FD-SOI）工艺的低功耗FPGA供应商。该工艺由三星研发，与如今大多数半导体芯片采用的bulkCMOS工艺有些类似，但优势更为显著，能在显著降低器件尺寸和功耗的同时，大幅提升性能和稳定性。除了支持全新的制造平台，莱迪思还依托其低功耗、小尺寸FPGA领先开发商的行业经验，在系统设计的各个层面（从完善的系统解决方案到FPGA架构，再到电路）取得创新，进一步降低功耗，减小FPGA尺寸，同时提升系统性能。全新的制造工艺与多个层面的创新催生了莱迪思Nexus™FPGA开发平台。莱迪思Nexus重新定义低功耗FPGAFD-SOI工艺让莱迪思的工程师能够开发全新电路设计，充分发挥该工艺的固有优势。其优势之一就是FD-SOI支持可编程基体偏压（bodybias），这是一种位于晶体管基体上的块电阻，能让开发人员在晶体管运行期间进行动态调节。莱迪思的研发团队发明的可编程基体偏压，能够根据设计的功耗和散热管理需要，让器件以高性能模式或低功耗模式运行。只需通过软件开关即可控制运行模式。开发人员通过对基体偏压进行编程实现高性能或低功耗之间的切换，可以优化FPGA的功耗/性能，更好地满足应用的功耗和散热管理需求。这不仅有助于降低电池供电的网络边缘设备的功耗，还能降低工业和数据中心等应用的电力成本。根据莱迪思估算，基于Nexus平台的FPGA的功耗将比同类竞品最多减少75%。图1：可编程基体偏压让使用莱迪思FPGA的开发人员能够密切控制电路的泄电流，同时对器件进行微调，实现低功耗或高性能模式。莱迪思Nexus加速AI处理性能为了支持AI等网络边缘新兴技术，设备的开发人员需要让系统更加智能。他们的做法是为系统集成更多智能功能，从而让设备在网络边缘端执行实时数据处理和分析。然而AI的设计人员面临诸多挑战。AI推理算法需要大量计算，还要求具备大型存储模块在本地存储数值用于计算。以前AI解决方案的开发人员需要高水平的DSP来实现算法时，他们往往选择外部资源，如系统中或者云端的另一个处理器。然而在片外执行AI计算会导致数据延迟，此外将客户数据发送到云端还会引发数据隐私问题和安全隐患。有了NexusFPGA技术平台，莱迪思可以通过集成更大的RAM和优化的DSP模块在本地存储数据和执行计算解决延迟问题。NexusFPGA比之前的莱迪思FPGA性能提升了一倍（同时功耗降低一半），因此开发人员可以在网络边缘实现AI推理算法。网络边缘AI推理的潜在应用包括自动工业机器人、ADAS系统、安防摄像头和智能门铃等。莱迪思NexusFPGA提供高稳定性通常的半导体器件由于高能粒子（如宇宙射线和α粒子）撞击晶体管，性能会受到损害；这一现象被称为软错误。从软错误中恢复需要重置FPGA，这对于那些不允许系统中断哪怕几毫秒的关键应用而言，显然不适用。为了解决这一难题，采用bulkCMOS工艺开发的器件通常会使用一些功能来校正软错误，例如片上软错误校正（SEC）和错误代码校正（ECC）模块。莱迪思基于Nexus平台的FPGA不仅支持以上功能，还拥有一层极薄的氧化物（得益于FD-SOI工艺）保护FPGA中的晶体管，防止高能粒子对基底产生影响。因此基于莱迪思Nexus技术平台开发的FPGA与同类FPGA产品相比，软错误率可降低100多倍。由此带来稳定性的大幅提升，对于任何应用而言都不失为理想之选，尤其是汽车和工业领域的一些关键应用，其器件故障可能导致重大人员伤害和财产损失。小尺寸不在话下莱迪思Nexus技术平台还能满足网络边缘设备不断精简尺寸的需求。许多FPGA厂商都在设计产品用于数据中心（云端）的数据分析应用，它们的架构很大，不适用于逻辑单元的数量较少的小型FPGA。莱迪思则专注开发小型、低功耗的FPGA，创造了紧凑的FPGA架构，其器件的物理尺寸比相似逻辑密度的FPGA竞品小十倍之多。莱迪思Nexus技术平台提供完善的系统解决方案除了Nexus技术平台上晶体管结构的创新之外，莱迪思还研究了设计过程中更高层次的抽象设计，以了解如何帮助客户在其应用设计中快速轻松地应用NexusFPGA。莱迪思已经创建或购买并验证了易于使用、直观的设计软件、预先设计的软IP模块、评估板、套件以及完整的参考设计等资源，从而实现莱迪思目标市场（通信、计算、工业、汽车和消费电子）的各类常见应用，包括传感器聚合、传感器桥接和图像处理。图2：莱迪思为嵌入式视觉市场提供完整的参考设计，让开发人员快速轻松地让新产品或现有产品设计支持流行的应用。让我们进一步了解图2中的传感器聚合演示，看看这类演示如何帮助客户快速将产品推向市场。该演示主要用于嵌入式视觉系统，可以从多达四个源获取视频数据流，将它们合并为一个数据流，然后通过高速MIPID-PHY将其发送到显示器或处理器以进行后续处理。该演示的潜在应用包括高级驾驶辅助系统（ADAS）。在此应用中开发人员需要从多个摄像头和/或雷达传感器收集、汇总数据，然后将其发送给处理器实时做出决策，保障安全。由于无须将多个传感器连接到汽车应用处理器（AP），开发人员可以简化系统PCB上的走线，节省宝贵的API/O端口，从而降低系统成本，减小总体尺寸。在软件方面，莱迪思Nexus平台上的FPGA可搭配设计软件和莱迪思精选的预验证IP库来实现该平台拟支持的各类应用。推出首款基于莱迪思Nexus的FPGA：CrossLink-NXCrossLink-NX™作为采用莱迪思Nexus技术平台开发的首个新产品系列，将迎来巨大机遇。全新的CrossLink-NXFPGA继承了CrossLink系列FPGA在视频信号桥接、拆分和聚合等应用中的优势，同样支持所有视频信号应用。得益于莱迪思Nexus开发平台，CrossLink-NXFPGA系列具有更高的存储逻辑比、更优化的DSP、更多的逻辑单元和更快的I/O，能够使用AI算法处理视频数据，运行速度是之前FPGA的两倍。此外，在工业和汽车应用中，CrossLink-NX的尺寸比上一代产品小了10倍，软错误率最高降低100倍，大幅提升了可靠性。最后，为进一步加快产品上市时间，莱迪思提供Diamond2.0FPGA开发工具、经过验证的IP模块以及基于CrossLink-NXFPGA的应用参考设计。图3：CrossLink-NX系列FPGA是首款基于莱迪思Nexus技术平台开发的产品，用于AI和嵌入式视觉应用。结论如今，快速发展的网络边缘设备市场在要求更高性能和可靠性的同