PCI Express通过结合Nexus FPGA 技术平台与 LUT 实现以太网协议

Certus™-NX 是莱迪思 Nexus 技术平台上的第二款产品，它将为更广泛的应用带来 FD-SOI 工艺的优势。这些通用 FPGA 提供低功耗、小尺寸和灵活的 I/O，PCIe Gen2 和千兆以太网接口以及高级加密功能。它们适用于智能家居、IoT、消费电子网络、马达控制等多个领域的应用。本白皮书由莱迪思赞助，但文中观点和分析内容为作者所有。

引言

Certus™-NX 将莱迪思 Nexus FPGA 技术平台的优势带到了新市场，主要面向需要 PCI Express 和千兆以太网互连的应用。新产品系列有两种型号，分别拥有 17K 和 39K 逻辑单元。较大的 Certus™-NX-40 还提供 PCIe Gen2 接口，可连接主机处理器、无线或有线通信芯片以及其他许多器件。两种型号均通过硬核支持千兆以太网，提高了性能和功效。新产品的封装尺寸远小于竞品的同时，I/O 密度增加了一倍。

Nexus 平台的独特之处在于采用了 FD-SOI 工艺。这与之前的 CMOS 工艺相比有很大区别，能够极大降低功耗。如图一所示，Certus™-NX 比英特尔和赛灵思的同类产品功耗低 3-4 倍。Certus™-NX 的配置时间极短，能够让系统快速启动。该器件还拥有验证和加密硬件模块提升安全性。

图 1. Lattice Certus™-NX 器件。与英特尔和赛灵思的类似 FPGA 产品相比，Certus™-NX 的功耗降低了 70-75％。此功耗是针对 PCIe Gen2 接口，在严格测试环境下 Tj =85ºC，125MHz 测得的。）

Certus™-NX 主要面向网络中的各类控制和计算应用，包括在网络边缘运行的自动化工业设备以及 5G 通信基础设施和云端数据中心。该 FPGA 可以处理多种通信协议，其安全特性非常适合联网设备。在许多情况下，该器件能在执行通信任务时分担神经网络（AI）的负载。Certus™-NX 还可以连接到模拟电机和传感器。

产品概述

Certus™-NX FPGA 提供了灵活的 I/O 和足够的门电路来实现各种协议。该器件拥有多达 39K 逻辑单元，为各类设计提供足够的逻辑从而使用嵌入式 DSP 核实现神经网络或其他加速功能。其硬件加密模块可加速启动代码身份验证的椭圆曲线（ECDSA）加密和 AES 批量加密算法。该芯片还包括用于时钟和数据恢复（CDR）的硬逻辑，支持高达 1 Gbps 的以太网数据传输速率，更好地支持了以太网设计。通过结合该模块与足量的 LUT 实现以太网协议，该芯片还可以实现与外部 PHY 芯片的 SGMII 连接。

如图 2 所示，Certus™-NX-40 包括了 PCIe Gen2 控制器的硬逻辑用于高速通信。该接口可连接单个速率高达 5 Gbps 的通道。两种型号都有两个 12 位逐次逼近（SAR）型模数转换器（ADC），速率高达每秒一百万个采样（Msps）。对于其他协议，该芯片的可编程 I/O 可以实现高达 1.5Gbps 的单个接口和差分接口，包括 LVDS、subLVDS 和 DRAM （最高为 DDR3-1066）。对于这些接口，必须使用 LUT 资源实现控制器。芯片的逻辑结构包括 LUT、嵌入式存储器和用于 DSP 功能的 18x18 位乘法器。芯片逻辑机构外拥有一个大型 RAM，可提供高达 2.5 Mbit 的额外存储空间。

图 2. Certus™-NX 示意图。全新 FPGA 拥有实现 AES 和椭圆曲线加密的硬核模块、用于千兆位以太网（SGMII）的时钟和数据恢复（CDR）、PCIe Gen2 控制器以及模数转换器（ADC）。

FD-SOI 工艺可实现基体偏压（back-bias），与 CMOS 工艺相比，漏电降低 75％。在 1.0V 电压下工作会降低有效功率。该工艺还提高了芯片的可靠性。由于 FPGA 将其配置存储在 SRAM 中，因此随机软错误可能会导致器件故障（SEU）。相比于 CMOS，FD-SOI 工艺能够消除 SRAM 超过 99％的软错误，从根本上避免了 SEU 的发生。

Certus™-NX 产品提供各种封装，其中最小尺寸仅为 6x6 mm。该设计的低功耗特性减少了电源连接和接地的数量，从而为 I/O 留出更多空间。最小的封装尺寸有 82 个 I/O，最大的封装（14x14 mm）则拥有 192 个 I/O。莱迪思还缩短了将 FPGA 配置加载到 SRAM 所需的时间，从而缩短了启动时间。若使用 Quad-SPI 连接外部闪存，Certus™-NX-40 的启动时间少于 14ms。而 I/O 在 3 毫秒内即可完成初始化。

产品比较

对于需要 PCIe 的应用，Certus™-NX-40 与市场上的另两款产品形成竞争关系，即英特尔的 Cyclone V 和赛灵思 Artix-7 系列 FPGA。后两者都是具有硬核 PCIe 接口、采用 28nm CMOS 工艺的 FPGA。对于这款产品，我们都选择了有 50000 个逻辑单元的型号作为对比，因为它们下一级较小的型号仅有 33000 个逻辑单元，远低于 Certus™-NX。如表 1 所示，这两款竞品的总存储容量略大，对应的门数也较多，同时还提供更多的 DSP 模块。

表 1. 用于 PCIe 设计的 FPGA。Certus™-NX 提供更优的加密性能，支持以太网和更快的 I/O 速度。*该范围对应不同封装尺寸；*该数据是针对 PCIe Gen2 接口，在严格测试环境下 Tj =85ºC，125MHz 测得的。

Certus™-NX 在多方面表现出色。它支持最优的加密，提供用户模式 AES 加速以及 FPGA 配置位流的验证（ECDSA）和加密。英特尔和赛灵思的两款产品缺少验证，仅支持 AES 配置。尽管 Cyclone FPGA 的两个 PCIe Gen1 通道可以提供相同的总带宽，但它不提供 PCIe Gen2 支持，并且它不提供用于以太网设计的硬核 CDR 模块。Certus™-NX 的 I/O 速度最高，其封装尺寸仅为其他产品的三分之一，可大大节省电路板面积。

对于不需要 PCIe 接口的应用，Certus FPGA 则与 Cyclone V E 系列和 Spartan-7 系列两款产品竞争。表 2 对比了 Certus™-NX-17 与上述系列中逻辑单元数量相似型号。尽管 Certus™-NX 的逻辑单元略少，但它的存储空间更大，既有嵌入式存储器又有外部的大型存储器，使其能够缓冲更多数据或存储更大的神经网络。与之前一样，Certus™-NX 在加密方面更为突出，I/O 速度更胜一筹。其 6x6 mm 的极小封装尺寸所需的电路板面积不到两款竞品的四分之一，并且 I/O 密度约是它们的两倍。Certus™-NX 也是该组产品中唯一具有以太网硬核的 FPGA。

表 2. FPGA 用于网络边缘设备。Certus™-NX 拥有更小的封装尺寸，抗软错误性能比竞品高 100 多倍，配置时间缩短 10 多倍。

Certus™-NX 系列产品利用其独特的 FD-SOI 技术优势，在功耗和抗软错误率方面有很大优势。如图 1 所示，在基本的设计实现中，Certus™-NX 芯片的功耗比英特尔和赛灵思的产品低 3-4 倍。莱迪思的芯片只出现 19 次软错误故障（FIT），稳定性是其余两款产品的 160 倍。从 quad-SPI 存储器启动时，Certus™-NX 的配置速度也比竞品快 10 倍。其余两款产品均不提供 I/O 引脚瞬时启动功能，而在 Certus™-NX 上的响应时间仅为 3 ms。莱迪思还提供 sensAI 解决方案集合，让客户能够使用 Caffe 或 TensorFlow 工具开发神经网络。我们期待莱迪思今后可以在 Certus™-NX 系列器件上提供这些功能。sensAI 还包括 RTL overlay，可使用整数或二进制计算对 FPGA 编程，进行神经网络推理。

结论

Certus™-NX 的诸多优势可直接改善终端产品。其 6x6 mm 的小尺寸封装可用于更小的电路板设计或节省空间便于添加新的系统功能。类似的 FPGA 竞品封装尺寸为 10x10 mm 到 13x13 mm，门数相对较少的型号也是如此。尽管 Certus™-NX 尺寸很小，但能提供更高的 I/O 密度，为电路板设计人员提供了极大的灵活性。该芯片采用独特的 FD-SOI 技术，比 CMOS 工艺功耗更低，实现了功耗和尺寸和全面优化。

对于通信和其他应用，Certus™-NX 提供了硬逻辑实现 PCIe Gen2 和千兆以太网接口，简化了这些常用标准的实现。该器件灵活的 I/O 引脚速率高达 1.5 Gbps，能比竞品 FPGA 更快地处理通信。为了提高联网设备的安全性，该系列 FPGA 还拥有加密模块，加速批量加密 AES 和椭圆曲线（ECDSA）验证。该模块还可以验证外部配置存储器，从而实现安全启动。除 Certus™-NX 外，没有任何一款逻辑单元少于 100K 个 FPGA 拥有 ECDSA 模块。Certus™-NX 初始化速度也比竞品器件快 10 倍，大大减少了终端用户等待其设备启动的时间。

全新 FPGA 拥有一个 A/D 转换器，可以搭配 IoT 设计中的模拟传感器。结合 PWM 模式下的可编程输出，该 ADC 很适合用于电机控制。此外，Certus™-NX 可以用作加速器，通过莱迪思 sensAI 平台或逻辑单元上的特定算法来实现神经网络。在这些设计中，FPGA 可以通过高速 PCIe 接口直接连接到主机处理器，同时仅占用少量引脚。FD-SOI 工艺对软错误具有天然的免疫力，因此 Certus™-NX 是航空航天应用的理想选择。然而，莱迪思的器件乘法器数量较少，不太适合 DSP 密集型应用。

Certus™-NX 是基于莱迪思 Nexus 平台的第二款产品，它为广泛的应用领域带来了 FD-SOI 工艺的优势。这些通用 FPGA 可提供低功耗特性、小尺寸封装和灵活的 I/O 以及 PCIe Gen2、千兆以太网接口和高级加密功能。它们非常适用于各类网络边缘应用，包括智能家居、物联网和消费电子网络。此外，它们还可以用于马达控制和其他模拟应用，或者为 AI 和其他专用算法提供低功耗高性能的加速服务。莱迪思对这一领域的持续专注，不断提供独特和创新功能，让 Certus™-NX 在激烈的竞争中脱颖而出。
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