關(guān)于FPGA的新選擇的分析介紹

多種趨勢正在將FPGA推向兩條截然不同的發(fā)展道路。

在第一條路上，F(xiàn)PGA不斷優(yōu)化，主要用于加速數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載。 數(shù)據(jù)中心是大型供應(yīng)商關(guān)注的下一個(gè)“圣杯”。

在另一條發(fā)展道路上，有傳統(tǒng)的FPGA網(wǎng)絡(luò)市場、蜂窩基站、國防、商用航空、工業(yè)4.0和醫(yī)療。 在這些應(yīng)用領(lǐng)域，許多工程師認(rèn)為他們正在被拋棄。 他們面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)與大型供應(yīng)商關(guān)注的數(shù)據(jù)中心焦點(diǎn)截然不同。 設(shè)計(jì)人員面臨著越來越難以平衡的行為，因?yàn)樗麄冊噲D在不犧牲性能和安全性的情況下，實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本。

要想實(shí)現(xiàn)這種平衡，就需要以新的方式來看待FPGA，采用新的工藝技術(shù)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、收發(fā)器策略和內(nèi)置的安全措施。這孕育出了一類新的、中等規(guī)模的FPGA，為傳統(tǒng)FPGA開發(fā)人員提供了新的功能。

新的工藝技術(shù)選擇

降低功耗同時(shí)優(yōu)化中等規(guī)模FPGA成本的一種方法是：使用新的工藝技術(shù)。 例如，在28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)上使用Silicon-Oxide-Nitride-Silicon（SONOS）非易失性（NV）技術(shù)，其與相同或更小節(jié)點(diǎn)上的基于SRAM的FPGA相比，具有更低的功耗優(yōu)勢。 使用65nm及以上浮柵NV技術(shù)的上一代非易失性FPGA比SONOS昂貴。 鑒于浮動(dòng)?xùn)艠O技術(shù)需要17.5 V來編程使用消耗大量芯片面積的大型電荷泵，SONOS技術(shù)只需要7.5 V編程，因此電荷泵可以更小。 這項(xiàng)技術(shù)可以縮小芯片尺寸，并有助于提供更具成本效益的器件。

SONOS技術(shù)通過使用具有非導(dǎo)電氮化物電介質(zhì)層（Si3N4）作為電荷存儲單元的單個(gè)多晶硅晶體管堆疊（見圖1）來實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)勢。 使用這種方法，在底部氧化物中可能存在的任何缺陷附近，只有非常少量的電荷將流失。

由于儲存的電荷在絕緣氮化物層中不可移動(dòng)，所以大部分儲存的電荷仍然保持原樣，完好無損。 與浮柵技術(shù)相比，可以使用更薄的底部氧化物，并且可以用更低的編程電壓（?7.5 V）和更小的電荷泵進(jìn)行編程。與SRAM存儲單元相比，使用SONOS所需的晶體管數(shù)量更少。

圖1：SONOS技術(shù)。 （來源：Microsemi）

SONOS技術(shù)通過使用包含N通道和P通道NV器件的推挽式單元來提高可靠性。 NV器件不處于數(shù)據(jù)路徑，僅用于控制用作數(shù)據(jù)路徑開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)晶體管。 這提供了很大的功能優(yōu)勢，因?yàn)镹V器件閾值電壓（Vt）的任何變化都不會改變開關(guān)電導(dǎo)。設(shè)備互動(dòng)的方式充當(dāng)了內(nèi)置的準(zhǔn)冗余，可防止產(chǎn)品在使用期間的性能下降。

功耗也會降低。 首先，SONOS NV FPGA配置單元啟用兩種不同的可編程“配置”狀態(tài)，控制FPGA數(shù)據(jù)信號路徑，關(guān)斷和開啟時(shí)優(yōu)化開關(guān)器件以提供比標(biāo)準(zhǔn)晶體管低得多的漏電。 其次，SONOS技術(shù)可以將器件置于一種狀態(tài)：將電源電壓關(guān)閉至FPGA邏輯模塊中的配置存儲器，同時(shí)將用戶的狀態(tài)保存在低功耗鎖存器中。 這降低了約三分之二的待機(jī)功耗。

SONOS還有兩個(gè)重要的優(yōu)勢。 首先是“即時(shí)開”功能：因?yàn)镕PGA邏輯配置單元在掉電后保持其狀態(tài)，所以當(dāng)電源返回時(shí)不需要重新加載FPGA設(shè)計(jì)代碼，也不需要外部引導(dǎo)PROM。其次，與基于SRAM的FPGA中的配置存儲器不同，該器件可由于中子轟擊而翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，SONOS器件的FPGA邏輯配置不受SEU影響。 SONOS NV電荷存儲在氮化物電介質(zhì)中，不容易受到中子轟擊帶來的電荷損失。

新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

另一種提高中等規(guī)模FPGA性能的方法是：改變可編程邏輯結(jié)構(gòu)。 這使得器件能夠滿足主流性能要求，同時(shí)，靜態(tài)功耗僅為SRAM FPGA的十分之一，以及總功耗的一半。

功耗和性能需要權(quán)衡考量。 例如，6輸入LUT可提供一些速度優(yōu)勢，但4輸入LUT是現(xiàn)代工藝技術(shù)中功率和成本優(yōu)化FPGA的更好選擇。 同時(shí)，隨著工藝技術(shù)從65nm發(fā)展到28nm及以上，由于金屬線和通孔電阻的縮放差，布線的延遲已成為邏輯延遲的主導(dǎo)因素。 拓寬金屬線會增加芯片面積和成本。 因此，隨著每一代后續(xù)的工藝技術(shù)的發(fā)展，集群間（inter-cluster）延遲將成為關(guān)鍵路徑的首要問題，6輸入LUT的速度優(yōu)勢將會減弱。 確保相鄰LUT之間的快速直連可以減少集群內(nèi)延遲，尤其是與先進(jìn)的綜合和布局算法相結(jié)合。 某些邏輯功能（如MUX樹）會從直連中受益良多。

為了獲得最佳效果，應(yīng)該仔細(xì)優(yōu)化FPGA系列的功耗性能折衷方案，以便核心邏輯電源電壓略低于其制造過程的標(biāo)稱電壓。 在28nm SONOS器件中，這意味著優(yōu)化1.0V核心邏輯電源電壓，在需要額外速度時(shí)可選擇使用完整的1.05 V電源。

FPGA架構(gòu)的最后一塊是數(shù)學(xué)模塊，它應(yīng)該支持18位乘法累加操作。 通過提供具有完整19位結(jié)果和輸入值級聯(lián)鏈的預(yù)加法器，并通過確保數(shù)學(xué)模塊支持精確的9位操作，包括9×9點(diǎn)積模式。 后者非常適合用于圖像處理和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）。

FPGA收發(fā)器

收發(fā)器在優(yōu)化FPGA成本，功耗和性能要求方面發(fā)揮著重要作用。 許多應(yīng)用需要高達(dá)24個(gè)高速全雙工收發(fā)器通道。 他們還需要SerDes收發(fā)器，可以支持250 Mbps到12.7 Gbps的波特率，以覆蓋全系列的SDI，高達(dá)10Gbps的以太網(wǎng)，JESD204B轉(zhuǎn)換器和其他應(yīng)用。 優(yōu)化收發(fā)器的一個(gè)主要優(yōu)勢在于降低從高端FPGA調(diào)整的更高速SerDes的性能，因?yàn)榕c降級的SerDes方法相比，它在所有波特率下的功耗都要低得多。

多種架構(gòu)選擇有助于降低FPGA收發(fā)器功耗，從使用半速率架構(gòu)實(shí)現(xiàn)收發(fā)器到使用高度共享的傳輸PLL架構(gòu)。 理想情況下，F(xiàn)PGA應(yīng)該具有1~6個(gè)四通道收發(fā)器，最多可以有24個(gè)SerDes通道。 許多均衡功能允許更長距離，并在印刷電路板和背板中使用低成本材料。 特殊的鎖相環(huán)（PLL）特性可為用戶提供更多靈活性，從更靈活的時(shí)鐘和波特率選擇到簡化的radiated-emission要求，以及更高的帶寬選項(xiàng)。

調(diào)試和測試也很重要，包括內(nèi)置偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（PRBS）發(fā)生器和檢測器的可用性以及支持非直流耦合信號的IEEE 1149.6“AC JTAG”。 包括帶調(diào)試軟件支持的內(nèi)置眼圖監(jiān)視器，設(shè)計(jì)人員無需示波器即可調(diào)試SerDes。 人們可以實(shí)時(shí)優(yōu)化DFE和CTLE參數(shù)，并調(diào)用最終產(chǎn)品的理想設(shè)置（參見圖2）。

圖2：SerDes眼圖監(jiān)視器智能調(diào)試軟件

解決安全挑戰(zhàn)

目前，設(shè)計(jì)的安全性存在許多威脅。 從用戶設(shè)計(jì)IP到制造過程的所有內(nèi)容都可能受到影響。

關(guān)鍵的安全技術(shù)和性能包括可信任的硬件roots，強(qiáng)大的加密技術(shù)以及每個(gè)階段的頂級密鑰管理，以及內(nèi)置被動(dòng)和主動(dòng)對策以防止篡改的設(shè)備。 圖3顯示了使用唯一序列號、密鑰和X.509公鑰證書進(jìn)行安全FPGA配置的最佳實(shí)現(xiàn)方法。

圖3：設(shè)備證書信任鏈

有了這些組件，就可以解決設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全問題。 設(shè)計(jì)安全性要求FPGA使用制造商提供的密鑰和證書，以及其他技術(shù)（從專利的差分功耗分析（DPA）對策到防止側(cè)向信道攻擊的技術(shù)），以保護(hù)用戶的IP。 另一種提高設(shè)計(jì)安全性的方法是使用物理不可克隆功能（PUF）技術(shù)來生成硬件固有密鑰。

數(shù)據(jù)安全性要求使用專用于核心NIST認(rèn)證的FPGA用戶的加密處理器，以實(shí)現(xiàn)許多最常用的加密算法，如AES，SHA 2，ECC，RSA和DH，并包含加密級TRNG。 與向FPGA架構(gòu)添加加速器相比，用戶加密處理器適用于許多應(yīng)用，從而降低成本（面積、功耗和其它相關(guān)）。

市場對需要成本優(yōu)化的中等規(guī)模FPGA的需求不斷增長，在通信、國防和工業(yè)市場，對密度高達(dá)500K邏輯單元（LE）的情況下，要求功率密度顯著降低。 一個(gè)新的發(fā)展路線圖已經(jīng)出現(xiàn)，它將新的工藝技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與重要的收發(fā)器變化和安全特性相結(jié)合，使FPGA能夠解決主流應(yīng)用的成本、功耗、性能和安全要求，同時(shí)提供非易失性技術(shù)的所有優(yōu)勢。