讓FPGA兼具高性能、低功耗，為何要用28 nm FD-SOI？

隨著摩爾定律的放緩以及登納德縮放比例定律和阿姆達(dá)爾定律接近瓶頸，異構(gòu)和加速時代已降臨，F(xiàn)PGA廠商在近期的大動作也不斷，不斷刷新FPGA的容量。當(dāng)然，隨之而來的也在不斷搶占軟件、加速器和數(shù)據(jù)中心的市場，以保證其在生態(tài)和尖端市場的建設(shè)。

問題來了，的確在尖端市場上，這些產(chǎn)品非常優(yōu)秀，但既追求性能又追求價格、尺寸和功耗的消費類市場怎么辦？這就需要一家專心這一領(lǐng)域，并不斷優(yōu)化的廠商了。

在此方面，便不得不提到Lattice（萊迪思半導(dǎo)體），作為FPGA知名廠商之一，該公司在此前的戰(zhàn)略便是專注于消費類市場產(chǎn)品的研發(fā)，提供既兼顧了高性能又擁有極高性價比的小尺寸低功耗產(chǎn)品，特別是嵌入式視覺方面。當(dāng)然，Lattice也并不只局限于消費電子，小系列產(chǎn)品均是這家公司的強(qiáng)項。

最近，Lattice就推出了一個新的平臺Nexus和采用該平臺并結(jié)合28 nm FD-SOI（耗盡型絕緣層上硅）的產(chǎn)品。21ic中國電子網(wǎng)受邀參加此次新品發(fā)布會，萊迪思半導(dǎo)體亞太區(qū)產(chǎn)品市場部總監(jiān)陳英仁現(xiàn)場為記者解答相關(guān)問題。

為什么偏偏是28nm FD-SOI

5G和云端絕對是今年最熱的話題，當(dāng)然緊隨著后的這幾年行業(yè)一直主推的AI和IoT。行業(yè)人士普遍認(rèn)為，AI算法目前來說其實突破并不明顯，大數(shù)據(jù)和云計算的發(fā)展順勢造就了AI，構(gòu)建了“端-邊-云”一體化的格局。

所以在5G和云端的不斷成長下，無論是在機(jī)器視覺還是邊緣處理方面，均擁有著龐大體量的智能汽車、智能家居和智能工廠應(yīng)用，而這些場景選擇大多數(shù)偏向于小系列產(chǎn)品。但矛盾的是，行業(yè)普遍既追求“高性能”，又追求“低功耗”。

陳英仁對記者表示，正為解決這種矛盾，所以才選擇了28 nm FD-SOI。據(jù)他解釋表示，F(xiàn)D-SOI可在襯底這部分進(jìn)行電壓控制，因此反饋偏壓（Back Bias）是可控的，在此方面可自由進(jìn)行低功耗和高性能的設(shè)定切換。在此情況下，應(yīng)用28nm FD-SOI工藝的FPGA便可既具有“高性能”也具有“低功耗”兩種特性。

這種“低功耗”與“高性能”轉(zhuǎn)換最大的好處便是可解決許多使用電池的應(yīng)用，在大多數(shù)工廠、消費電子越來越講求便利性，為保持機(jī)動性難免使用電池。當(dāng)然，低功耗換言之，其實也意味著減少了用電成本，減少了功耗帶來的熱量而節(jié)省了散熱成本。

圖1：FD-SOI可兼具高性能和低功耗

28 nm FD-SOI帶來的另外的一個重要優(yōu)勢便是穩(wěn)定性，陳英仁表示，很多消費或工業(yè)類產(chǎn)品并不在乎穩(wěn)定性，重啟解決一切，然而一些牽扯安全甚至生命的應(yīng)用穩(wěn)定性的優(yōu)點便凸顯出來了。

那么這是如何是實現(xiàn)的？陳英仁為記者介紹表示，其實不穩(wěn)定因素來源于輻射，因其強(qiáng)力的穿透力導(dǎo)致許多采用CMOS的制程受到它的干擾，特別是傳統(tǒng)使用SRAM制程的FPGA產(chǎn)品。而28nm FD-SOI則擁有較薄的氧化層，因此關(guān)鍵區(qū)域的減少，使得軟錯誤率（SEU）隨之而降。陳英仁強(qiáng)調(diào)，單單選擇這個工藝，便可將失效降低100倍，換言之便是可靠性增強(qiáng)了100倍，因此對于諸如汽車、工業(yè)、通信、數(shù)據(jù)中心甚至航空都是非常重要的，特別是航空方面擁有更多的輻射。

圖2：FD-SOI可使可靠性提高100倍

另外28 nm FD-SOI工藝的產(chǎn)品與bulk CMOS工藝相比，這項技術(shù)的漏電也降低了50％。目前來說，Lattice在28 nm FD-SOI方面的產(chǎn)品是三星在此方面代工，陳英仁表示，明年的新產(chǎn)品也會繼續(xù)在28 nm方面產(chǎn)品繼續(xù)發(fā)力。

一個平臺多個產(chǎn)出

當(dāng)然，既然選用28 nm FD-SOI這一工藝，如何產(chǎn)出產(chǎn)品？答案就是Lattice全新推出的低功耗FPGA技術(shù)平臺——Lattice Nexus™。

上文也有提到，Lattice一直擅長的便是消費領(lǐng)域，而隨著5G、云端、智能家居/智能工廠，智能視覺等不同應(yīng)用提出不同的產(chǎn)品需求且快速變化，市場不明確的情況下，很難復(fù)用一項技術(shù)。因此，據(jù)陳英仁表示，Lattice Nexus便是一種平臺化的新模式，在三星28 nm FD-SOI這一工藝下，最大化設(shè)計復(fù)用，降低開發(fā)成本并加速產(chǎn)品迭代。

圖3：利用Lattice Nexus最大化設(shè)計復(fù)用

不止如此，Lattice Nexus技術(shù)平臺還提供了創(chuàng)新的系統(tǒng)級解決方案，提升了易用性。這些解決方案集合了設(shè)計軟件、預(yù)置的軟IP模塊、評估板、套件和參考設(shè)計，幫助客戶更快地構(gòu)建系統(tǒng)。它們主要針對嵌入式視覺等增長迅猛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括了傳感器橋接、傳感器聚合和圖像處理等解決方案。

并且，Lattice Nexus這個技術(shù)平臺擁有創(chuàng)新的架構(gòu)，能在行業(yè)領(lǐng)先的低功耗條件下優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，該平臺優(yōu)化的DSP模塊和更大的片上存儲器可實現(xiàn)低功耗高性能的計算，如AI推理算法，并且運行速度是之前萊迪思FPGA的兩倍而功耗減少一半。

Nexus產(chǎn)出的首款產(chǎn)品CrossLink-NX

既然有了可設(shè)計復(fù)用的平臺，因此第一款產(chǎn)品則是該平臺邁出的重要一步。此前2019年10月，21ic中國電子網(wǎng)在《FPGA怎樣應(yīng)對嵌入式視覺市場之“變”？》一文中報道了Lattice在嵌入式視覺市場的新產(chǎn)品CrossLink Plus。而該平臺產(chǎn)出的第一款產(chǎn)品CrossLink-NX，顧名思義，便是“NEXT”，在28 nm FD-SOI的加持下，各項指標(biāo)均有了大幅度的提升。

為什么要推出CrossLink-NX，陳英仁為記者解釋表示，嵌入式視覺應(yīng)用越來越擴(kuò)大化，無論是工廠機(jī)械化視覺還是車載視覺方面，都需要FPGA進(jìn)行有效連接。另外，消費電子目前甚至已達(dá)到了8k，并擁有五花八門分辨率的LCD產(chǎn)品，因此更加低功耗、高性能、小型化、可靠性高、易于使用的產(chǎn)品便是市場急需的。

圖4：CrossLink-NX詳情

陳英仁為記者介紹表示，這款產(chǎn)品最大的特點便是可切換“低功耗模式”與“高性能模式”，即控制反饋偏壓。與上一代產(chǎn)品相比，內(nèi)嵌了更大的閃存，并首次加入了DSP模塊乘加法。

在I/O部分，CrossLink的特色一直是使用硬核PCle提升速率，并可在特殊應(yīng)用方面應(yīng)用。CrossLink-NX在I/O方面與CrossLink Plus相比，從1.5 Gbps提升至2.5 Gbps；可編程I/O個數(shù)也從29個提升至192個。陳英仁為強(qiáng)調(diào)，目前SoC基本上也是2.5 Gbps，所以下一步將計劃充分與SoC進(jìn)行結(jié)合。

圖5：IO的提升拓展了嵌入式視覺應(yīng)用

值得一提的是，在接口方面，CrossLink只能支持4組不同的接口，而CrossLink-NX則最多可接12組不同的SubLVDS、LVDS、SGMII。另外，速度也提升到DDR3 1066 Mbps。

圖6：CrossLink-NX擁有超高的性能

在功耗方面，得益于28 nm FD-SOI這一工藝的“黑科技”，靜態(tài)功耗相比競爭對手產(chǎn)品減少了75%。

圖7：CrossLink-NX功耗減少75%

在尺寸方面，陳英仁強(qiáng)調(diào)，Lattice是持續(xù)不斷進(jìn)行小尺寸優(yōu)化的，因為追求的不僅僅的性能。CrossLink-NX 40k邏輯單元的產(chǎn)品與其它兩家，最接近的是52k的FPGA，是15×15 mm，基本上要大6倍；公司B的它的40K邏輯單位是19×19 mm，比Lattice的大10倍。所以可以看出在封裝上也會有非常大的差異化。

圖8：CrossLink-NX尺寸小于同類產(chǎn)品10倍

在存儲器方面，CrossLink-NX每一個邏輯單位會配備170 bit的記憶體，這樣便比競爭對手大了好幾倍，可以更有效的進(jìn)行圖形處理和AI推理，甚至可與軟核MCU的搭配。

圖9：CrossLink-NX擁有更大的存儲器

在啟動時間上，此前在介紹CrossLink Plus時也有提及系列產(chǎn)品內(nèi)嵌了閃存，可將喚醒時間降低在6 ms以下，減少啟動時的視覺假象，達(dá)到無縫的視覺體驗。CrossLink-NX則可控制在3 ms以下，啟動更快，相對其他產(chǎn)品甚至相差百倍。

圖10：CrossLink-NX可瞬間啟動

在可靠性方面，仍然是得益于28 nm FD-SOI制程的優(yōu)勢，使得軟錯誤率（SER）可降低100倍。

圖11：CrossLink-NX可靠性比同行業(yè)高出100倍

更簡單的軟件加速FPGA設(shè)計

眾所周知，尖端FPGA大廠都在“從硬變軟”，陸續(xù)推出軟件平臺。當(dāng)然，Lattice也在軟件設(shè)計工具為工程師帶來了易用性的提升，即新推出的FPGA軟件設(shè)計工具Lattice Radiant™2.0。

FPGA設(shè)計門檻高一直是被工程師詬病的缺點之一，目前來說Radiant 2.0在調(diào)試工具方面相比過去做很大的改善，并提供持續(xù)更新，現(xiàn)在也會支持業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的SDC；另外還加入了ECO編譯器和同步開關(guān)輸入（SSO）計算器分析單個引腳的信號完整性，這會讓懂FPGA的客戶更容易去用Lattice的FPGA。

陳英仁補充表示，在參考設(shè)計和IP方面，一直也是Lattice的強(qiáng)項，陸續(xù)推出的參考設(shè)計與IP將會讓工程師更容易上手參與設(shè)計。并且Lattice在上海這邊的團(tuán)隊也會幫助客戶開發(fā)相關(guān)方案。

圖12：全新的工具和IP核幫助工程師輕松設(shè)計

目前來說，CrossLink-NX現(xiàn)已提前供應(yīng)，首批客戶的系統(tǒng)正在開發(fā)之中，另外，目標(biāo)30多名客戶已開始試用。

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