FPGA在嵌入式视觉和边缘计算领域的重新定义

2020年6月25日，莱迪思半导体公司对外正式宣布推出全新Lattice Certus™-NX系列FPGA。值得注意的是，莱迪思基于Lattice Nexus™技术平台的第一款FPGA产品是于2019年12月推出的。仅用六个月的时间，第二款FPGA系列产品便再次重磅推出。如此快速的产品迭代升级，是技术的创新？是市场战略的扩展布局？是未来趋势的导向？EETOP有幸通过莱迪思现场技术总监蒲小双先生得到相关的答案。重新定义低功耗通用FPGA，莱恩思在消费类电子、工业等领域的逆袭转型业绩越来越好！

蒲小双，莱迪思现场技术总监

 Certus-NX FPGA表现如何？

据蒲小双介绍，Certus-NX FPGA可以轻松应用于小尺寸设计中，对整体设计尺寸的影响极小。例如，Certus-NX FPGA可以在36 mm2内实现完整的PCIe解决方案。即便是使用Certus-NX FPGA系列的最小封装，其每平方毫米I/O密度仍是同类FPGA竞品的两倍，为桥接应用提供更大的设计灵活性和强大的支持。

Certus-NX FPGA的可编程基体偏压功能可根据用户的应用需求，可选择高性能或低功耗工作模式。与同类FPGA相比，该系列器件的功耗可降低多达4倍。全新器件还通过SPI存储器实现超快的器件配置，其速度最该可达同类FPGA竞品的12倍。单个I/O配置只需3 ms，整个器件启动时间仅为8-14 ms（取决于器件大小）。Certus-NX的开发人员可以使用莱迪思完善的IP库。可以在Certus-NX上使用的主要IP包括：

• 1.5 Gbps差分IO，性能超过竞品FPGA最高可达70%。

• 5 Gbps PCIe、1.5 Gbps SGMII和1066 Mbps DDR3。开发人员可以在Certus-NX开发板上测试这些IP模块，快速实现在Certus-NX FPGA目标应用上常用的接口。

为了保护器件的位流免于未经授权的访问/更改/复制，Certus-NX FPGA支持AES-256加密和领先的ECDSA认证，可在设备的整个生命周期内提供保护。对于安全性要求极高的工业和汽车应用而言，可靠的性能至关重要。这些应用中的器件必须达到预期的性能，以避免对人员和财产造成损害。Certus-NX FPGA的抗软错误率（SER）性能最高为同类FPGA的100倍。Certus-NX FPGA为工业温度级器件。它还支持片上ECC和SEC。此外，Certus-NX FPGA支持易于使用的LatticeRadiant®软件，可提供统一的FPGA设计环境，集成了优秀的工具和功能，可帮助用户快速高效地开发应用。

关键特性的技术实现

配置时间缩短

对于传统 FPGA 来说，一般都是外面加一个 SPI Flash，传统 FPGA 的快慢往往决定于 SPI 能跑多快。早些年 FPGA 能跑到 50Mbps ，这已经是非常不错的速率了。现在新的 SPI Flash 跑的越来越快。此外，原来的 SPI 跑的是单通道的，现在还可以用到 QSPI，四个 channel 的数据一直往里面写。

随着现在器件性能的要求越来越高，除了工艺以外，其实每个产品的设计方法、加载的方法也都不一样。蒲小双介绍说，经过测试，现在SPI Flash基本可以跑过130M。如果能支持 QSPI 那么宽的数据，那么在加载的时候，相应的FPGA设计要有相应的部分，把数据通道全部打通，让配置时间缩短。

功耗和抗软错误率的关键是 FD-SOI 技术

FD-SOI是三星的28 nm制造工艺，Lattice Nexus™是业界首个基于FD-SOI工艺的低功耗FPGA技术平台。Certus-NX FPGA与同类FPGA相比，其功耗可降低多达4倍，抗软错误率（SER）性能最高为同类FPGA的100倍。而实现这些特性的关键便是 FD-SOI 。

FD-SOI的漏电流特别小，其特性就是低功耗。蒲小双进一步解释说，器件total power的consumption 是由静态功耗和动态功耗组成的。其中静态功耗有个最大的特点，就是在环境温度某一个节点的情况下是指数上升，而动态功耗随着环境温度的变化并没有改变。此外，28nm FD-SOI工艺有一个很薄的绝缘层，它跟 BULK CMOS 工艺比小了 100倍。这一特性对于保障户外、工业、汽车、通信和数据中心等应用的运行环境至关重要。

两代产品的区别

Certus-NX 与第一代产品相比，有一个很明显的区别，即没有MIPI hardcore。而去掉的原因是希望多增加 I/O 的个数。蒲小双介绍说，在小封装中，每一个平方毫米里面多增加 I/O，这对细分市场中的一些客户是有益的。第一代产品 NX 瞄准的是嵌入式视觉，它有 MIPI 接口，所以说非常多的应用都是跟 camera 有关。第二代产品则主要是针对工业、通信等领域。

随着工业自动化和5G等技术的发展，开发人员开始寻求为网络边缘应用添加处理和互连功能。为了顺应这种趋势，这些器件需要采用支持PCIe和千兆以太网等常见接口的低功耗处理硬件。设备开发人员还需要易于使用、统一的开发平台，提供将产品快速推向市场所需的硬件、软件和IP。

据蒲小双介绍，Certus-NX FPGA拥有卓越的低功耗、小尺寸、高可靠性和瞬时启动等特性，支持高速PCI Express（PCIe）和千兆以太网接口，可实现数据协同处理、信号桥接和系统控制。Certus-NX FPGA面向从自动化工业设备中的数据处理到通信基础设施中的系统管理等一系列应用。该系列器件在通用FPGA市场上拥有领先的IO密度，每平方毫米的IO密度最高可达同类FPGA竞品的两倍。

莱迪思看好嵌入式视觉和边缘计算。边缘端的AI推理需要大量的计算，莱迪思对AI 计算有自己独特的理解。目前在端侧进行边缘处理的方式有多种，包括CPU、GPU、ASIC、FPGA等他们认为，AI 里面还有很多CNN，有很多的低功耗要完成。在边缘应用中关键还是看应用层面，大部分IoT的边缘都是在MCU中完成的。不过莱迪思的 FPGA 用到边缘的时候，很多是作为 MCU 、AP 的协处理器。由于FPGA具有并行处理能力，因此是嵌入式视觉和AI应用的绝佳硬件平台。蒲小双特别强调：“AI 有不同的算法，而每一个算法需要多少功耗的情况要分不同的级别。这种低功耗的小 FPGA 比较适合低性能、算力不是很高。”