按照行業(yè)慣例，“小型FPGA”通常是指邏輯密度低于200K SLC(系統(tǒng)邏輯單元)的FPGA產(chǎn)品。2019年12月，萊迪思(Lattice)業(yè)界首發(fā)的Nexus™平臺憑借低功耗、高性能、高可靠性、先進的安全性和易用性五大特點，為小型FPGA樹立了“新標(biāo)桿”，被行業(yè)視作“低功耗FPGA技術(shù)的重要更新”。
在此基礎(chǔ)上，2019-2022年期間，萊迪思基于Nexus™平臺先后打造了CrossLink-NX、Certus-NX、CertusPro-NX和MachXO5-NX等產(chǎn)品，為開發(fā)者提供了更強的架構(gòu)靈活性和系統(tǒng)級集成能力，以滿足通用及安全控制等應(yīng)用需求。
萊迪思Nexus™平臺
2024年，憑借在“先進的互連”、“優(yōu)化的功耗和性能”和“領(lǐng)先的安全性能”三方面做出的重大改進，“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，持續(xù)強化了萊迪思在小型FPGA領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
作為全球低功耗可編程器件的領(lǐng)先供應(yīng)商，萊迪思深耕小型FPGA產(chǎn)品領(lǐng)域的步伐并未因此停下。日前，為Certus™-NX FPGA和MachXO5™-NX FPGA系列提供更多新的、高I/O密度的器件選項，再一次成為行業(yè)熱點。
全新組合的新突破
此次新推出的Certus-NX和MachXO5-NX器件同樣基于Nexus™™ FPGA平臺，更豐富的器件選擇，更高的I/O密度、性能和系統(tǒng)集成度，以及更強的穩(wěn)定性和安全性，是新產(chǎn)品在多個維度展現(xiàn)出來的核心競爭優(yōu)勢——能讓開發(fā)者精準(zhǔn)匹配不同的應(yīng)用需求，尤其是在功耗受限的人工智能、工業(yè)、通信、服務(wù)器和汽車應(yīng)用中，它們對低功耗、小尺寸、高3.3V I/O密度和安全功能的FPGA器件通常有著更嚴(yán)苛的要求。
萊迪思推出全新Certus-NX和MachXO5-NX器件
與同類FPGA相比，新器件每平方毫米的I/O數(shù)量最多提升2倍，同時支持3.3V I/O 和1.5Gbps差分I/O，確保了更快、更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。不僅如此，器件尺寸最多可縮小3倍，非常適合緊湊的電路板布局。
新器件功耗最多降低4倍，不僅能簡化產(chǎn)品的散熱設(shè)計，還能有效延長電池供電設(shè)備的使用壽命。器件內(nèi)部的集成閃存使器件的啟動配置速度最多提升12倍，大幅加快了系統(tǒng)即時啟動時間。更重要的是，無需電源時序控制的設(shè)計，減少了外部電路和BOM成本。
在穩(wěn)定性和安全性上，新器件軟錯誤率最多降低100倍，顯著提升了安全關(guān)鍵型應(yīng)用的可靠性。內(nèi)置的單錯誤校正(SEC)和存儲塊ECC，既能降低軟錯誤的影響，又能有效抵御單比特翻轉(zhuǎn)錯誤(SEU)，進一步保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
統(tǒng)一平臺下的差異化設(shè)計
盡管同樣都基于Nexus™平臺，但考慮到不同垂直細(xì)分領(lǐng)域有各自不同的需求，萊迪思在產(chǎn)品規(guī)劃時更傾向于“在統(tǒng)一平臺下實現(xiàn)差異化設(shè)計”。例如CertusPro-NX就在功耗設(shè)計、系統(tǒng)帶寬、邊緣處理、可靠性、封裝多樣性等方面進行了增強；而與CrossLink-NX相比，Certus-NX FPGA為了提升I/O個數(shù)，去掉了MIPI硬核，這對于采用PCIe做普通控制的一些客戶非常有幫助。
接下來，讓我們以時間為軸，回顧一下不同產(chǎn)品系列各自的核心特質(zhì)。
打開機器視覺新“視”界
隨著邊緣人工智能(Edge AI)的日益普及，為自動駕駛和機器人提供關(guān)鍵的安全和避障能力的智能視覺技術(shù)，正變得必不可少。未來，智能視覺系統(tǒng)將繼續(xù)依賴深度學(xué)習(xí)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提高圖像的分析和識別能力，并利用強化學(xué)習(xí)和自主自適應(yīng)學(xué)習(xí)，使系統(tǒng)能夠從環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)和改進，并適應(yīng)新的場景和任務(wù)。
為此，CrossLink™-NX FPGA在設(shè)計時結(jié)合了28nm FD-SOI技術(shù)和優(yōu)化的FPGA架構(gòu)，減少了100倍的軟錯誤率，功耗降低達75%，兩個4通道MIPI D-PHY收發(fā)器硬核的速率為2.5G/Lane（10Gbps/PHY），與同行相比性能提升約2倍。采用小尺寸WLCS封裝，最小僅為4mm x 4mm，比同類型產(chǎn)品縮小近10倍，以確保向業(yè)界呈現(xiàn)一款具備高度可擴展性、低價格、低功耗，且提供靈活互連、支持各種I/O標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的完美解決方案。
持續(xù)挑戰(zhàn)功耗性能極限
Certus-NX系列FPGA是萊迪思在2020年基于Nexus™平臺開發(fā)出的第二款FPGA產(chǎn)品，主要面向廣泛的通信、計算、工業(yè)和汽車應(yīng)用，F(xiàn)D-SOI工藝、小尺寸封裝、靈活的I/O與PCIe Gen2、千兆以太網(wǎng)接口和高級加密功能，是Certus-NX系列最顯著的產(chǎn)品“標(biāo)簽”。
邏輯資源方面，Certus-NX最多擁有65K邏輯單元、3.3Mb嵌入式存儲器、128個18x18 乘法器、以及380個可編程I/O。支持最高1.5Gbps的差分I/O，比同類FPGA快70%，還支持5Gbps PCIe、1Gbps GigE和1066Mbps DDR3存儲器接口。
與同類競品相比，Certus-NX系列尺寸縮小多達3倍，最小至36mm2，每平方毫米I/O密度增加多達2倍；功耗最多可降低4倍；通過SPI存儲器進行器件配置時，8-25ms的速度最高可達同類FPGA競品的12倍。該系列采用28nm FD-SOI工藝制造，軟錯誤率(SER)降低最高100倍，內(nèi)置SEC和存儲塊ECC用于SEU保護，提升了安全關(guān)鍵型應(yīng)用的系統(tǒng)可靠性。
開辟主流FPGA新天地
高級通用FPGA CertusPro-NX主要是為了滿足智能系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)協(xié)同處理、5G通信基礎(chǔ)設(shè)施中的高帶寬信號橋接、以及ADAS系統(tǒng)中的傳感器接口橋接等創(chuàng)新應(yīng)用需要而推出的。因此在設(shè)計上，CertusPro-NX FPGA支持多達8個可編程SERDES通道，速度高達10.3Gbps，提供同類產(chǎn)品中最高的系統(tǒng)帶寬(是同類競品FPGA的2倍之多)，并支持主流的通信和顯示接口，如10 Gigabit Ethernet、PCI Express、SLVS-EC、CoaXPress和DisplayPort。
同時，為滿足網(wǎng)絡(luò)邊緣AI和機器學(xué)習(xí)應(yīng)用對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)協(xié)處理的需求，CertusPro-NX FPGA支持多達100K邏輯單元，是目前所有基于Nexus™的FPGA中邏輯密度最高的器件，其片上存儲器容量也比同類其他FPGA高出約65%，是目前唯一支持LPDDR4 DRAM存儲標(biāo)準(zhǔn)的低功耗FPGA。此外，CertusPro-NX在可編程架構(gòu)基礎(chǔ)上還增加了超高效的DSP模塊，以及小型和大型內(nèi)部存儲器模塊，用于支持人工智能和機器學(xué)習(xí)應(yīng)用中的低延遲數(shù)據(jù)處理。
“增強型安全控制FPGA”
MachXO5-NX FPGA是Nexus™平臺的第五款和MachXO系列的第六款器件，“更多邏輯和存儲器資源”、“穩(wěn)定的可編程I/O”、“行業(yè)領(lǐng)先的安全性能”和“領(lǐng)先的低功耗和穩(wěn)定性”，是其作為“增強型安全控制FPGA”的核心競爭力所在。
MachXO5-NX FPGA擁有100K邏輯單元密度和更多的DSP模塊與ADC模塊，可提供更強大的計算和控制功能。與密度相近的FPGA相比，MachXO5-NX提供高達2.9倍的嵌入式存儲器，高達36倍的專用用戶閃存，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，并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。
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。MachXO5-NX支持AES256位流加密和ECC256位流認(rèn)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期間的安全功能
這些FPGA如何創(chuàng)造價值？
不斷在緊湊型、低功耗器件中引入更多的靈活性和功能，幫助開發(fā)人員應(yīng)對各類創(chuàng)新設(shè)計中嚴(yán)格的散熱、互連和尺寸限制，始終是萊迪思的使命所在。因此，讓我們花些時間，一起看一看這些新器件是如何創(chuàng)造價值的：
在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，高I/O密度、低靜態(tài)與動態(tài)功耗的FPGA是空間受限應(yīng)用(如控制模塊和傳感器聚合Hub)的理想選擇。器件支持單軌上電且兼容任意電源時序，可簡化電源架構(gòu)和PCB布局；即時啟動配置功能實現(xiàn)亞毫秒級啟動，對延遲敏感環(huán)境中的可靠響應(yīng)至關(guān)重要。
在汽車應(yīng)用中，增強可靠性和強大的軟錯誤緩解機制(如ECC保護的存儲塊和配置刷新)，是高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)和車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等系統(tǒng)滿足功能安全合規(guī)的核心需求。這些FPGA的緊湊尺寸使其能無縫集成到空間受限的電子控制單元(ECU)中，同時滿足汽車級工作條件下嚴(yán)苛的性能和散熱設(shè)計要求。
在邊緣AI應(yīng)用(如智能攝像頭或智能物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點)中，低功耗、高速I/O與安全配置的結(jié)合，可以實現(xiàn)邊緣端實時數(shù)據(jù)處理。開發(fā)者可部署AI預(yù)處理、加密或傳感器融合的定制邏輯，同時保持小巧的硬件尺寸。
在通信應(yīng)用(如交換機、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和邊緣計算)中，更高的3.3V I/O、優(yōu)化的邏輯密度和封裝尺寸，結(jié)合PCIe Gen2功能，使這些FPGA成為分擔(dān)CPU負(fù)載的理想方案。位流驗證和加密功能可滿足不斷提升的安全需求。
在服務(wù)器部署中，這些小尺寸安全FPGA提供硬件可信根、安全啟動以及數(shù)據(jù)實時傳輸或處理過程中的快速加密，實現(xiàn)數(shù)據(jù)完整性與機密性。高I/O密度支持PCIe Gen 2、以太網(wǎng)等多千兆接口，實現(xiàn)低延遲數(shù)據(jù)傳輸和并行處理；緊湊外形可集成到密集的服務(wù)器刀片和網(wǎng)卡中，同時適應(yīng)超大規(guī)模和邊緣數(shù)據(jù)中心典型的嚴(yán)苛功耗與散熱限制。
結(jié)語
小尺寸FPGA絕非“性能妥協(xié)”的代名詞，而是通過架構(gòu)優(yōu)化、工藝革新與場景化設(shè)計，在低功耗、高可靠、強安全的維度開辟出全新價值空間。未來，隨著智能設(shè)備對“小而強”的需求愈發(fā)迫切，萊迪思深耕小型FPGA領(lǐng)域的技術(shù)積淀與場景洞察，還將持續(xù)推動更多行業(yè)突破物理限制與性能瓶頸。
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