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萊迪思半導體白皮書(shū) 2020年4月 物聯(lián)網(wǎng)AI、嵌入式視覺(jué)、硬件安全、5G通信、工業(yè)和汽車(chē)自動(dòng)化等新興應用正在重新定義開(kāi)發(fā)人員設計網(wǎng)絡(luò )邊緣產(chǎn)品的硬件要求。為了支持這些應用，網(wǎng)絡(luò )邊緣設備的硬件方案需要具備下列特征： • 低功耗 • 高性能 • 高穩定性 • 小尺寸 萊迪思的研發(fā)工程師幾年前就開(kāi)始著(zhù)手FPGA開(kāi)發(fā)工藝的創(chuàng )新，旨在為客戶(hù)提供具備上述特性的硬件平臺。最終萊迪思成為業(yè)界首個(gè)支持28 nm全耗盡型絕緣體上硅（FD-SOI）工藝的低功耗FPGA供應商。該工藝由三星研發(fā)，與如今大多數半導體芯片采用的bulk CMOS工藝有些類(lèi)似，但優(yōu)勢更為顯著(zhù)，能在顯著(zhù)降低器件尺寸和功耗的同時(shí)，大幅提升性能和穩定性。 除了支持全新的制造平臺，萊迪思還依托其低功耗、小尺寸FPGA領(lǐng)先開(kāi)發(fā)商的行業(yè)經(jīng)驗，在系統設計的各個(gè)層面（從完善的系統解決方案到FPGA架構，再到電路）取得創(chuàng )新，進(jìn)一步降低功耗，減小FPGA尺寸，同時(shí)提升系統性能。全新的制造工藝與多個(gè)層面的創(chuàng )新催生了萊迪思Nexus™ FPGA開(kāi)發(fā)平臺。 萊迪思Nexus重新定義低功耗FPGA FD-SOI工藝讓萊迪思的工程師能夠開(kāi)發(fā)全新電路設計，充分發(fā)揮該工藝的固有優(yōu)勢。其優(yōu)勢之一就是FD-SOI支持可編程基體偏壓（body bias），這是一種位于晶體管基體上的塊電阻，能讓開(kāi)發(fā)人員在晶體管運行期間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節。萊迪思的研發(fā)團隊發(fā)明的可編程基體偏壓，能夠根據設計的功耗和散熱管理需要，讓器件以高性能模式或低功耗模式運行。只需通過(guò)軟件開(kāi)關(guān)即可控制運行模式。開(kāi)發(fā)人員通過(guò)對基體偏壓進(jìn)行編程實(shí)現高性能或低功耗之間的切換，可以?xún)?yōu)化 FPGA 的功耗/性能，更好地滿(mǎn)足應用的功耗和散熱管理需求。這不僅有助于降低電池供電的網(wǎng)絡(luò )邊緣設備的功耗，還能降低工業(yè)和數據中心等應用的電力成本。根據萊迪思估算，基于Nexus平臺的FPGA的功耗將比同類(lèi)競品最多減少75%。 
圖1：可編程基體偏壓讓使用萊迪思FPGA的開(kāi)發(fā)人員能夠密切控制電路的泄電流，同時(shí)對器件進(jìn)行微調，實(shí)現低功耗或高性能模式。 萊迪思Nexus加速AI處理性能 為了支持AI等網(wǎng)絡(luò )邊緣新興技術(shù)，設備的開(kāi)發(fā)人員需要讓系統更加智能。他們的做法是為系統集成更多智能功能，從而讓設備在網(wǎng)絡(luò )邊緣端執行實(shí)時(shí)數據處理和分析。然而AI的設計人員面臨諸多挑戰。AI推理算法需要大量計算，還要求具備大型存儲模塊在本地存儲數值用于計算。以前AI解決方案的開(kāi)發(fā)人員需要高水平的DSP來(lái)實(shí)現算法時(shí)，他們往往選擇外部資源，如系統中或者云端的另一個(gè)處理器。然而在片外執行AI計算會(huì )導致數據延遲，此外將客戶(hù)數據發(fā)送到云端還會(huì )引發(fā)數據隱私問(wèn)題和安全隱患。 有了Nexus FPGA技術(shù)平臺，萊迪思可以通過(guò)集成更大的RAM和優(yōu)化的DSP模塊在本地存儲數據和執行計算解決延遲問(wèn)題。Nexus FPGA比之前的萊迪思FPGA性能提升了一倍（同時(shí)功耗降低一半），因此開(kāi)發(fā)人員可以在網(wǎng)絡(luò )邊緣實(shí)現AI推理算法。網(wǎng)絡(luò )邊緣AI推理的潛在應用包括自動(dòng)工業(yè)機器人、ADAS系統、安防攝像頭和智能門(mén)鈴等。 萊迪思Nexus FPGA提供高穩定性 通常的半導體器件由于高能粒子（如宇宙射線(xiàn)和α粒子）撞擊晶體管，性能會(huì )受到損害；這一現象被稱(chēng)為軟錯誤。從軟錯誤中恢復需要重置FPGA，這對于那些不允許系統中斷哪怕幾毫秒的關(guān)鍵應用而言，顯然不適用。為了解決這一難題，采用bulk CMOS工藝開(kāi)發(fā)的器件通常會(huì )使用一些功能來(lái)校正軟錯誤，例如片上軟錯誤校正（SEC）和錯誤代碼校正（ECC）模塊。萊迪思基于Nexus平臺的FPGA不僅支持以上功能，還擁有一層極薄的氧化物（得益于FD-SOI工藝）保護FPGA中的晶體管，防止高能粒子對基底產(chǎn)生影響。因此基于萊迪思Nexus技術(shù)平臺開(kāi)發(fā)的FPGA與同類(lèi)FPGA產(chǎn)品相比，軟錯誤率可降低100多倍。由此帶來(lái)穩定性的大幅提升，對于任何應用而言都不失為理想之選，尤其是汽車(chē)和工業(yè)領(lǐng)域的一些關(guān)鍵應用，其器件故障可能導致重大人員傷害和財產(chǎn)損失。 小尺寸不在話(huà)下 萊迪思Nexus技術(shù)平臺還能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )邊緣設備不斷精簡(jiǎn)尺寸的需求。許多FPGA廠(chǎng)商都在設計產(chǎn)品用于數據中心（云端）的數據分析應用，它們的架構很大，不適用于邏輯單元的數量較少的小型FPGA。萊迪思則專(zhuān)注開(kāi)發(fā)小型、低功耗的FPGA，創(chuàng )造了緊湊的FPGA架構，其器件的物理尺寸比相似邏輯密度的FPGA競品小十倍之多。 萊迪思Nexus技術(shù)平臺提供完善的系統解決方案 除了Nexus技術(shù)平臺上晶體管結構的創(chuàng )新之外，萊迪思還研究了設計過(guò)程中更高層次的抽象設計，以了解如何幫助客戶(hù)在其應用設計中快速輕松地應用Nexus FPGA。萊迪思已經(jīng)創(chuàng )建或購買(mǎi)并驗證了易于使用、直觀(guān)的設計軟件、預先設計的軟IP模塊、評估板、套件以及完整的參考設計等資源，從而實(shí)現萊迪思目標市場(chǎng)（通信、計算、工業(yè)、汽車(chē)和消費電子）的各類(lèi)常見(jiàn)應用，包括傳感器聚合、傳感器橋接和圖像處理。
圖2：萊迪思為嵌入式視覺(jué)市場(chǎng)提供完整的參考設計，讓開(kāi)發(fā)人員快速輕松地讓新產(chǎn)品或現有產(chǎn)品設計支持流行的應用。 讓我們進(jìn)一步了解圖2中的傳感器聚合演示，看看這類(lèi)演示如何幫助客戶(hù)快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。該演示主要用于嵌入式視覺(jué)系統，可以從多達四個(gè)源獲取視頻數據流，將它們合并為一個(gè)數據流，然后通過(guò)高速 MIPI D-PHY將其發(fā)送到顯示器或處理器以進(jìn)行后續處理。該演示的潛在應用包括高級駕駛輔助系統（ADAS）。在此應用中開(kāi)發(fā)人員需要從多個(gè)攝像頭和/或雷達傳感器收集、匯總數據，然后將其發(fā)送給處理器實(shí)時(shí)做出決策，保障安全。由于無(wú)須將多個(gè)傳感器連接到汽車(chē)應用處理器（AP），開(kāi)發(fā)人員可以簡(jiǎn)化系統PCB上的走線(xiàn)，節省寶貴的AP I/O端口，從而降低系統成本，減小總體尺寸。 在軟件方面，萊迪思Nexus平臺上的FPGA可搭配設計軟件和萊迪思精選的預驗證IP庫來(lái)實(shí)現該平臺擬支持的各類(lèi)應用。 推出首款基于萊迪思Nexus的FPGA：CrossLink-NX CrossLink-NX™ 作為采用萊迪思 Nexus 技術(shù)平臺開(kāi)發(fā)的首個(gè)新產(chǎn)品系列，將迎來(lái)巨大機遇。 全新的 CrossLink-NX FPGA繼承了CrossLink系列FPGA在視頻信號橋接、拆分和聚合等應用中的優(yōu)勢，同樣支持所有視頻信號應用。得益于萊迪思Nexus開(kāi)發(fā)平臺，CrossLink-NX FPGA系列具有更高的存儲邏輯比、更優(yōu)化的DSP、更多的邏輯單元和更快的I/O，能夠使用AI算法處理視頻數據，運行速度是之前FPGA的兩倍。此外，在工業(yè)和汽車(chē)應用中，CrossLink-NX的尺寸比上一代產(chǎn)品小了10倍，軟錯誤率最高降低100倍，大幅提升了可靠性。最后，為進(jìn)一步加快產(chǎn)品上市時(shí)間，萊迪思提供Diamond 2.0 FPGA開(kāi)發(fā)工具、經(jīng)過(guò)驗證的IP模塊以及基于CrossLink-NX FPGA的應用參考設計。
圖3：CrossLink-NX系列FPGA是首款基于萊迪思Nexus技術(shù)平臺開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，用于A(yíng)I和嵌入式視覺(jué)應用。 結論 如今，快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )邊緣設備市場(chǎng)在要求更高性能和可靠性的同時(shí)，希望設備具有低功耗和小尺寸的特性。萊迪思向來(lái)注重幫助開(kāi)發(fā)人員將智能、低功耗網(wǎng)絡(luò )邊緣設備推向市場(chǎng)，服務(wù)各類(lèi)應用。隨著(zhù) Nexus平臺的推出，萊迪思半導體可以快速開(kāi)發(fā)新的FPGA，開(kāi)發(fā)人員也可以加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，滿(mǎn)足新的市場(chǎng)需求。萊迪思Nexus平臺的推出，重新定義了開(kāi)發(fā)人員對小型、低功耗FPGA的期望。 |
