物联网 AI、嵌入式视觉、硬件安全、5G 通信、工业和汽车自动化等新兴应用正在重新定义开发人员设计网络边缘产品的硬件要求。为了支持这些应用,网络边缘设备的硬件方案需要具备下列特征:

 

  • 低功耗

 

  • 高性能

 

  • 高稳定性

 

  • 小尺寸

 

 莱迪思的研发工程师几年前就开始着手 FPGA 开发工艺的创新,旨在为客户提供具备上述特性的硬件平台。最终莱迪思成为业界首个支持 28 nm 全耗尽型绝缘体上硅(FD-SOI)工艺的低功耗 FPGA 供应商。该工艺由三星研发,与如今大多数半导体芯片采用的 bulk CMOS 工艺有些类似,但优势更为显著,能在显著降低器件尺寸和功耗的同时,大幅提升性能和稳定性。

 

除了支持全新的制造平台,莱迪思还依托其低功耗、小尺寸 FPGA 领先开发商的行业经验,在系统设计的各个层面(从完善的系统解决方案到 FPGA 架构,再到电路)取得创新,进一步降低功耗,减小 FPGA 尺寸,同时提升系统性能。全新的制造工艺与多个层面的创新催生了莱迪思 Nexus™ FPGA 开发平台。

 

莱迪思 Nexus 重新定义低功耗 FPGA

FD-SOI 工艺让莱迪思的工程师能够开发全新电路设计,充分发挥该工艺的固有优势。其优势之一就是 FD-SOI 支持可编程基体偏压(body bias),这是一种位于晶体管基体上的块电阻,能让开发人员在晶体管运行期间进行动态调节。莱迪思的研发团队发明的可编程基体偏压,能够根据设计的功耗和散热管理需要,让器件以高性能模式或低功耗模式运行。只需通过软件开关即可控制运行模式。开发人员通过对基体偏压进行编程实现高性能或低功耗之间的切换,可以优化 FPGA 的功耗 / 性能,更好地满足应用的功耗和散热管理需求。这不仅有助于降低电池供电的网络边缘设备的功耗,还能降低工业和数据中心等应用的电力成本。根据莱迪思估算,基于 Nexus 平台的 FPGA 的功耗将比同类竞品最多减少 75%。

 

图 1:可编程基体偏压让使用莱迪思 FPGA 的开发人员能够密切控制电路的泄电流,同时对器件进行微调,实现低功耗或高性能模式。

 

莱迪思 Nexus 加速 AI 处理性能

为了支持 AI 等网络边缘新兴技术,设备的开发人员需要让系统更加智能。他们的做法是为系统集成更多智能功能,从而让设备在网络边缘端执行实时数据处理和分析。然而 AI 的设计人员面临诸多挑战。AI 推理算法需要大量计算,还要求具备大型存储模块在本地存储数值用于计算。以前 AI 解决方案的开发人员需要高水平的 DSP 来实现算法时,他们往往选择外部资源,如系统中或者云端的另一个处理器。然而在片外执行 AI 计算会导致数据延迟,此外将客户数据发送到云端还会引发数据隐私问题和安全隐患。

 

有了 Nexus FPGA 技术平台,莱迪思可以通过集成更大的 RAM 和优化的 DSP 模块在本地存储数据和执行计算解决延迟问题。Nexus FPGA 比之前的莱迪思 FPGA 性能提升了一倍(同时功耗降低一半),因此开发人员可以在网络边缘实现 AI 推理算法。网络边缘 AI 推理的潜在应用包括自动工业机器人、ADAS 系统、安防摄像头和智能门铃等。

 

莱迪思 Nexus FPGA 提供高稳定性

通常的半导体器件由于高能粒子(如宇宙射线和α粒子)撞击晶体管,性能会受到损害;这一现象被称为软错误。从软错误中恢复需要重置 FPGA,这对于那些不允许系统中断哪怕几毫秒的关键应用而言,显然不适用。为了解决这一难题,采用 bulk CMOS 工艺开发的器件通常会使用一些功能来校正软错误,例如片上软错误校正(SEC)和错误代码校正(ECC)模块。莱迪思基于 Nexus 平台的 FPGA 不仅支持以上功能,还拥有一层极薄的氧化物(得益于 FD-SOI 工艺)保护 FPGA 中的晶体管,防止高能粒子对基底产生影响。因此基于莱迪思 Nexus 技术平台开发的 FPGA 与同类 FPGA 产品相比,软错误率可降低 100 多倍。由此带来稳定性的大幅提升,对于任何应用而言都不失为理想之选,尤其是汽车和工业领域的一些关键应用,其器件故障可能导致重大人员伤害和财产损失。

 

小尺寸不在话下

莱迪思 Nexus 技术平台还能满足网络边缘设备不断精简尺寸的需求。许多 FPGA 厂商都在设计产品用于数据中心(云端)的数据分析应用,它们的架构很大,不适用于逻辑单元的数量较少的小型 FPGA。莱迪思则专注开发小型、低功耗的 FPGA,创造了紧凑的 FPGA 架构,其器件的物理尺寸比相似逻辑密度的 FPGA 竞品小十倍之多。

 

莱迪思 Nexus 技术平台提供完善的系统解决方案

除了 Nexus 技术平台上晶体管结构的创新之外,莱迪思还研究了设计过程中更高层次的抽象设计,以了解如何帮助客户在其应用设计中快速轻松地应用 Nexus FPGA。莱迪思已经创建或购买并验证了易于使用、直观的设计软件、预先设计的软 IP 模块、评估板、套件以及完整的参考设计等资源,从而实现莱迪思目标市场(通信、计算、工业、汽车和消费电子)的各类常见应用,包括传感器聚合、传感器桥接和图像处理。

 

图 2:莱迪思为嵌入式视觉市场提供完整的参考设计,让开发人员快速轻松地让新产品或现有产品设计支持流行的应用。

 

让我们进一步了解图 2 中的传感器聚合演示,看看这类演示如何帮助客户快速将产品推向市场。该演示主要用于嵌入式视觉系统,可以从多达四个源获取视频数据流,将它们合并为一个数据流,然后通过高速 MIPI D-PHY 将其发送到显示器或处理器以进行后续处理。该演示的潜在应用包括高级驾驶辅助系统(ADAS)。在此应用中开发人员需要从多个摄像头和 / 或雷达传感器收集、汇总数据,然后将其发送给处理器实时做出决策,保障安全。由于无须将多个传感器连接到汽车应用处理器(AP),开发人员可以简化系统 PCB 上的走线,节省宝贵的 AP I/O 端口,从而降低系统成本,减小总体尺寸。

 

在软件方面,莱迪思 Nexus 平台上的 FPGA 可搭配设计软件和莱迪思精选的预验证 IP 库来实现该平台拟支持的各类应用。

 

推出首款基于莱迪思 Nexus 的 FPGA:CrossLink-NX

CrossLink-NX™ 作为采用莱迪思 Nexus 技术平台开发的首个新产品系列,将迎来巨大机遇。 全新的 CrossLink-NX FPGA 继承了 CrossLink 系列 FPGA 在视频信号桥接、拆分和聚合等应用中的优势,同样支持所有视频信号应用。得益于莱迪思 Nexus 开发平台,CrossLink-NX FPGA 系列具有更高的存储逻辑比、更优化的 DSP、更多的逻辑单元和更快的 I/O,能够使用 AI 算法处理视频数据,运行速度是之前 FPGA 的两倍。此外,在工业和汽车应用中,CrossLink-NX 的尺寸比上一代产品小了 10 倍,软错误率最高降低 100 倍,大幅提升了可靠性。最后,为进一步加快产品上市时间,莱迪思提供 Diamond 2.0 FPGA 开发工具、经过验证的 IP 模块以及基于 CrossLink-NX FPGA 的应用参考设计。
 

图 3:CrossLink-NX 系列 FPGA 是首款基于莱迪思 Nexus 技术平台开发的产品,用于 AI 和嵌入式视觉应用。

 

结论

如今,快速发展的网络边缘设备市场在要求更高性能和可靠性的同时,希望设备具有低功耗和小尺寸的特性。莱迪思向来注重帮助开发人员将智能、低功耗网络边缘设备推向市场,服务各类应用。随着 Nexus 平台的推出,莱迪思半导体可以快速开发新的 FPGA,开发人员也可以加速产品开发,满足新的市场需求。莱迪思 Nexus 平台的推出,重新定义了开发人员对小型、低功耗 FPGA 的期望。