让FPGA兼具高性能、低功耗，为何要用28 nm FD-SOI？

时间：2019-12-14 01:44:07

关键字： fd-soi FPGA lattice 技术专访 crosslink-nx

[导读]28 nm FD-SOI究竟有何神奇之处？

随着摩尔定律的放缓以及登纳德缩放比例定律和阿姆达尔定律接近瓶颈，异构和加速时代已降临，FPGA厂商在近期的大动作也不断，不断刷新FPGA的容量。当然，随之而来的也在不断抢占软件、加速器和数据中心的市场，以保证其在生态和尖端市场的建设。

问题来了，的确在尖端市场上，这些产品非常优秀，但既追求性能又追求价格、尺寸和功耗的消费类市场怎么办？这就需要一家专心这一领域，并不断优化的厂商了。

在此方面，便不得不提到Lattice（莱迪思半导体），作为FPGA知名厂商之一，该公司在此前的战略便是专注于消费类市场产品的研发，提供既兼顾了高性能又拥有极高性价比的小尺寸低功耗产品，特别是嵌入式视觉方面。当然，Lattice也并不只局限于消费电子，小系列产品均是这家公司的强项。

最近，Lattice就推出了一个新的平台Nexus和采用该平台并结合28 nm FD-SOI（耗尽型绝缘层上硅）的产品。21ic中国电子网受邀参加此次新品发布会，莱迪思半导体亚太区产品市场部总监陈英仁现场为记者解答相关问题。

为什么偏偏是28nm FD-SOI

5G和云端绝对是今年最热的话题，当然紧随着后的这几年行业一直主推的AI和IoT。行业人士普遍认为，AI算法目前来说其实突破并不明显，大数据和云计算的发展顺势造就了AI，构建了“端-边-云”一体化的格局。

所以在5G和云端的不断成长下，无论是在机器视觉还是边缘处理方面，均拥有着庞大体量的智能汽车、智能家居和智能工厂应用，而这些场景选择大多数偏向于小系列产品。但矛盾的是，行业普遍既追求“高性能”，又追求“低功耗”。

陈英仁对记者表示，正为解决这种矛盾，所以才选择了28 nm FD-SOI。据他解释表示，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。在此情况下，应用28nm FD-SOI工艺的FPGA便可既具有“高性能”也具有“低功耗”两种特性。

这种“低功耗”与“高性能”转换最大的好处便是可解决许多使用电池的应用，在大多数工厂、消费电子越来越讲求便利性，为保持机动性难免使用电池。当然，低功耗换言之，其实也意味着减少了用电成本，减少了功耗带来的热量而节省了散热成本。

图1：FD-SOI可兼具高性能和低功耗

28 nm FD-SOI带来的另外的一个重要优势便是稳定性，陈英仁表示，很多消费或工业类产品并不在乎稳定性，重启解决一切，然而一些牵扯安全甚至生命的应用稳定性的优点便凸显出来了。

那么这是如何是实现的？陈英仁为记者介绍表示，其实不稳定因素来源于辐射，因其强力的穿透力导致许多采用CMOS的制程受到它的干扰，特别是传统使用SRAM制程的FPGA产品。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。陈英仁强调，单单选择这个工艺，便可将失效降低100倍，换言之便是可靠性增强了100倍，因此对于诸如汽车、工业、通信、数据中心甚至航空都是非常重要的，特别是航空方面拥有更多的辐射。

图2：FD-SOI可使可靠性提高100倍

另外28 nm FD-SOI工艺的产品与bulk CMOS工艺相比，这项技术的漏电也降低了50％。目前来说，Lattice在28 nm FD-SOI方面的产品是三星在此方面代工，陈英仁表示，明年的新产品也会继续在28 nm方面产品继续发力。

一个平台多个产出

当然，既然选用28 nm FD-SOI这一工艺，如何产出产品？答案就是Lattice全新推出的低功耗FPGA技术平台——Lattice Nexus™。

上文也有提到，Lattice一直擅长的便是消费领域，而随着5G、云端、智能家居/智能工厂，智能视觉等不同应用提出不同的产品需求且快速变化，市场不明确的情况下，很难复用一项技术。因此，据陈英仁表示，Lattice Nexus便是一种平台化的新模式，在三星28 nm FD-SOI这一工艺下，最大化设计复用，降低开发成本并加速产品迭代。

图3：利用Lattice Nexus最大化设计复用

不止如此，Lattice Nexus技术平台还提供了创新的系统级解决方案，提升了易用性。这些解决方案集合了设计软件、预置的软IP模块、评估板、套件和参考设计，帮助客户更快地构建系统。它们主要针对嵌入式视觉等增长迅猛的应用领域，包括了传感器桥接、传感器聚合和图像处理等解决方案。

并且，Lattice Nexus这个技术平台拥有创新的架构，能在行业领先的低功耗条件下优化系统性能。例如，该平台优化的DSP模块和更大的片上存储器可实现低功耗高性能的计算，如AI推理算法，并且运行速度是之前莱迪思FPGA的两倍而功耗减少一半。

Nexus产出的首款产品CrossLink-NX

既然有了可设计复用的平台，因此第一款产品则是该平台迈出的重要一步。此前2019年10月，21ic中国电子网在《FPGA怎样应对嵌入式视觉市场之“变”？》一文中报道了Lattice在嵌入式视觉市场的新产品CrossLink Plus。而该平台产出的第一款产品CrossLink-NX，顾名思义，便是“NEXT”，在28 nm FD-SOI的加持下，各项指标均有了大幅度的提升。

为什么要推出CrossLink-NX，陈英仁为记者解释表示，嵌入式视觉应用越来越扩大化，无论是工厂机械化视觉还是车载视觉方面，都需要FPGA进行有效连接。另外，消费电子目前甚至已达到了8k，并拥有五花八门分辨率的LCD产品，因此更加低功耗、高性能、小型化、可靠性高、易于使用的产品便是市场急需的。

图4：CrossLink-NX详情

陈英仁为记者介绍表示，这款产品最大的特点便是可切换“低功耗模式”与“高性能模式”，即控制反馈偏压。与上一代产品相比，内嵌了更大的闪存，并首次加入了DSP模块乘加法。

在I/O部分，CrossLink的特色一直是使用硬核PCle提升速率，并可在特殊应用方面应用。CrossLink-NX在I/O方面与CrossLink Plus相比，从1.5 Gbps提升至2.5 Gbps；可编程I/O个数也从29个提升至192个。陈英仁为强调，目前SoC基本上也是2.5 Gbps，所以下一步将计划充分与SoC进行结合。

图5：IO的提升拓展了嵌入式视觉应用

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

图6：CrossLink-NX拥有超高的性能

在功耗方面，得益于28 nm FD-SOI这一工艺的“黑科技”，静态功耗相比竞争对手产品减少了75%。

图7：CrossLink-NX功耗减少75%

在尺寸方面，陈英仁强调，Lattice是持续不断进行小尺寸优化的，因为追求的不仅仅的性能。CrossLink-NX 40k逻辑单元的产品与其它两家，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逻辑单位是19×19 mm，比Lattice的大10倍。所以可以看出在封装上也会有非常大的差异化。

图8：CrossLink-NX尺寸小于同类产品10倍

在存储器方面，CrossLink-NX每一个逻辑单位会配备170 bit的记忆体，这样便比竞争对手大了好几倍，可以更有效的进行图形处理和AI推理，甚至可与软核MCU的搭配。

图9：CrossLink-NX拥有更大的存储器

在启动时间上，此前在介绍CrossLink Plus时也有提及系列产品内嵌了闪存，可将唤醒时间降低在6 ms以下，减少启动时的视觉假象，达到无缝的视觉体验。CrossLink-NX则可控制在3 ms以下，启动更快，相对其他产品甚至相差百倍。

图10：CrossLink-NX可瞬间启动

在可靠性方面，仍然是得益于28 nm FD-SOI制程的优势，使得软错误率（SER）可降低100倍。

图11：CrossLink-NX可靠性比同行业高出100倍

更简单的软件加速FPGA设计

众所周知，尖端FPGA大厂都在“从硬变软”，陆续推出软件平台。当然，Lattice也在软件设计工具为工程师带来了易用性的提升，即新推出的FPGA软件设计工具Lattice Radiant™2.0。

FPGA设计门槛高一直是被工程师诟病的缺点之一，目前来说Radiant 2.0在调试工具方面相比过去做很大的改善，并提供持续更新，现在也会支持业界标准的SDC；另外还加入了ECO编译器和同步开关输入（SSO）计算器分析单个引脚的信号完整性，这会让懂FPGA的客户更容易去用Lattice的FPGA。

陈英仁补充表示，在参考设计和IP方面，一直也是Lattice的强项，陆续推出的参考设计与IP将会让工程师更容易上手参与设计。并且Lattice在上海这边的团队也会帮助客户开发相关方案。

图12：全新的工具和IP核帮助工程师轻松设计