I/O数翻倍，Lattice瞄准工业通信FPGA市场

FPGA在数据时代有什么终极意义？从特性上来讲，相比内核执行外算法都冻结的ASIC，可编程内核的FPGA拥有很强的灵活性和适应性；从功用上来讲，是摩尔定律放缓后至关重要的协处理器和桥接器件。

在异构计算的大背景下，FPGA愈发追求小尺寸、低功耗和高性能，这看准的便是FPGA固有的特性，可以说FPGA是数据时代现阶段最适合的产品。在追求极致性能上，除了增加I/O数量，甚至部分厂商为了追求灵活性和适应性把ASIC塞进了FPGA。

Lattice（莱迪思半导体）是利用28nm FD-SOI（耗尽型绝缘层上硅）这种工艺平衡FPGA的性能和功耗，让小型FPGA兼具“高性能”也具有“低功耗”两种特性。从技术上来讲，主要是因为FD-SOI可在衬底这部分进行电压控制，因此反馈偏压（Back Bias）是可控的，在此方面可自由进行低功耗和高性能的设定切换。

另一方面，传统使用SRAM制程的FPGA产品容易受到辐射干扰，而28nm FD-SOI则拥有较薄的氧化层，因此关键区域的减少，使得软错误率（SEU）随之而降。同时，与bulk CMOS工艺相比，28nm FD-SOI的漏电也降低了50％。

利用这种28nm FD-SOI的工艺，Lattice在去年专门发布了Lattice Nexus™这一技术平台进行多系列产品产出，与此同时还发布了首款产品CrossLink-NX。之前，21ic中国电子网曾经也重点对这种工艺的FPGA进行了讲解。

而就在第一款产品问世六个月后，日前Lattice宣布发布了这款平台的第二代产品——Certus™-NX，这款新产品拥有同类型产品脱颖而出的参数和性能，具有更高的I/O密度和功耗，21ic中国电子网记者受邀参加此次发布会。

当然，需要注意的是Lattice一直专注领域属于中端市场，主营范围还是低功耗的小型FPGA，产品主要聚焦在功能性和性价比上，本款产品亦是如此。

从整体架构来看，Certus-NX与CrossLink-NX因为都采用的是28nm FD-SOI工艺，所以在特性上非常相似，均可切换低功耗和高性能模式，内嵌嵌入式闪存，配置了特有的DSP模块进行乘加法。

另外，在逻辑单元上也均为17-40K。在快速启动方面，两者均采用Lattice一贯的内嵌闪存，大大降低唤醒时间，达到无缝的视觉体验。

图1：Certus-NX详情

图2：CrossLink-NX详情

而从差异性来看，两款产品拥有两个关键的区分点：

一、Certus-NX去除了硬核MIPI D-PHY 

根据莱迪思现场技术支持总监蒲小双（Jeffery Pu）的介绍，这主要是考虑到细分子市场对I/O个数的要求而进行的优化，去掉硬核MIPI D-PHY后每平方毫米的I/O个数有了显著地提升。

记者对两款产品的参数上进行了对比，两款产品最小尺寸均为6 x 6 mm（121 csfBGA），CrossLink-NX的I/O数量为72个，而Certus-NX的I/O数量为82个，相当于每平方毫米I/O数量提升了13%。

从应用上来讲， MIPI接口大多数与摄像头和传感器有关，前一代市场瞄准的是消费级市场嵌入式视觉方面，而本产品则更多发力于网络边缘应用添加处理和互连功能，这些应用一般来说强调使用PCle和千兆以太网。正因如此，这一代产品走的便是极致性价比和极致功耗性能，针对不同应用市场将硬核转化为性能。

二、Certus-NX增添了安全认证ECDSA位流验证 

Jeffery Pu告诉记者，受到前几代产品的启发，包括Lattice以前推出的XO3D产品，内部拥有PFR功能，里面有很复杂的认证，借用这些概念放到新款产品里，这是相对于前一代产品非常明显的差距。

从技术上来讲，ECDSA英文全称Elliptic Curve Digital Signature Algorithm，主要原理是创建数据数字签名，与AES（高级加密标准）不同，ECDSA不会对数据进行加密或阻止数据访问。当然，这款FPGA另外还是支持强大的AES-256位流加密的。

图3：Certus-NX实现最小尺寸上的ECDSA位流验证

从市场上来看，需要在嵌入式视觉方面发力的用户选择带有MIPI接口的CrossLink-NX即可，需要重点在工业、通信上添加处理和互连的则可选用性能更强劲的Certus-NX。

在28nm FD-SOI工艺加持之下，以及Lattice一贯的低功耗FPGA经验，新产品在同类竞品中脱颖而出。需要注意的是，Lattice之前也多次强调自身专注的是消费级的低功耗FPGA，市场既需要追求尖端市场产品的厂商，也需要专注小尺寸产品的FPGA厂商。具体对比如下：

一、3倍的小尺寸，2倍I/O数量，70%I/O速率提升 

Certus-NX在最小尺寸上，仅有6 x 6 mm，在I/O数量和速率上最接近的公司A的50K逻辑单元产品都已达到了10 x 10 mm尺寸了，而公司B的77K逻辑单元产品则达到了11 x 11 mm，相差了3倍之多。

而从I/O数量上来说，一方面，有着28 nm FD-SOI工艺加持，另一方面，毕竟这一代产品砍掉了MIPI硬核，数量提升是相当的明显的。当然相比传统工艺产品，28 nm FD-SOI工艺加持之下速率也提升了70%。

 图4：对比同类竞品Certus-NX有明显优势

二、4倍功耗降低

Lattice一直以来的优势便是低功耗，从参数上来看，在极端条件下对比公司B的77K逻辑单元产品最多降低了4倍。

从另一方面来看，低功耗就意味着更低的发热，在此方面电池就拥有最大化的寿命。这意味着，用电成本、散热成本、电池更换成本均有所降低。 

图5：Certus-NX功耗降低4倍

三、12倍配置速度 

配置速度是Lattice一直的强项，从CrossLink-Plus便开始加入这项功能。主要原理上是在产品中内嵌嵌入式闪存，加快了启动的速度。本代产品依然沿袭了前一代产品的3ms的I/O配置时间。

Jeffery Pu为记者介绍表示，传统FPGA一般加入的是SPI Flash，启动速度就取决于SPI的速度。早年传统FPGA能跑到50Mbps速率就很不错了，现如今新的SPI Flash基本可以达到130Mbps，但仍然不是能够达到秒开的效果。

Certus-NX主要使用的是QSPI，相比单通道的SPI，四个通道数据加载速度就会有明显的提升。不过，需要注意的是这需要FPGA具有相应的设计，才能支持快速配置。

很多情况下，在安全为首的系统中，启动时间有延迟会带来一定风险，无缝的启动显示既带来了更好的用户体验，也为安全增添了一分色彩。 

图6：Certus-NX拥有12倍的配置速度

四、100倍降低软错误率（SER） 

从Certus-NX公布的数据来看，40K逻辑单元下SER达到了19.34，相比公司A的50K逻辑单元产品降低了超过100倍。这归功于28nm FD-SOI这种工艺带来的普惠，因为这种工艺拥有一层较薄的氧化层，因而减少了关键区域，从而降低了软错误率（SER）。

当然，不仅仅是软错误率这一指标，这种工艺还具有抗干扰性，在漏电上也降低了50%。 

图7：Certus-NX软错误率降低了100倍

除了最新的FPGA，Lattice也在上半年发布了名为Lattice Propel的最新软件方案。据了解，Lattice Propel开发工具包含两大特色：IP整合工具Lattice Propel Builder，以及软件开发工具Lattice Propel SDK。

图8：Lattice的产品更新路线

Propel意为驱动、推进，这两个开发工具也切实地进一步推动了FPGA开发自动化。Lattice Propel Builder可让FPGA开发商以拖动IP区块形式进行设计，还能够自动联机产生代码；Lattice Propel SDK则具备软件套件建构、编译、分析和除错的应用程序，并以软件函式库与开发板级提供支持，让软件开发人员能在硬件就绪前进行软件设计，加速产品上市时程。

值得一提的是Lattice Propel是支持RISC-V IP的，众所周知RISC-V在嵌入式应用是极其重要的，透过最新FPGA开发环境，行业将迎来新的开发格局。

当然，基于Certus-NX这款产品的相关工具和IP也已提供下载使用，开发者将拥有更好的开发体验。目前，Certus-NX的样片已发往多个客户，开发板已可订购。

图9：各类工具和解决方案加速开发

在发布会的最后，Jeffery Pu透露，28nm FD-SOI的Nexus技术平台的第三代产品将在今年下半年宣发，相关计划也非常多，低功耗FPGA市场下半年将有更多惊喜值得期待。