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Nexus技术平台:重新定义低功耗、小尺寸FPGA
[作者 萊迪思半導體]   2020年12月15日 星期二 浏览人次: [21190]

AIoT、嵌入式视觉、硬体安全、5G通讯、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路边缘产品的硬体要求。为了支援这些应用,网路边缘设备的硬体方案需要具备下列特徵:低功耗、高效能、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开发制程的创新,旨在为客户提供具备上述特性的硬体平台。莱迪思为支援28 nm FD-SOI制程技术的低功耗FPGA供应商。该制程由三星研发,与如今大多数半导体晶片采用的bulk CMOS制程技术有些类似,但优势更为显着,能在显着降低元件尺寸和功耗的同时,大幅提升效能和稳定性。


除了支援全新的制造平台,莱迪思还依托其低功耗、小尺寸FPGA领先开发商的产业经验,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,同时提升系统效能。全新的制造制程与多个层面的创新催生了莱迪思Nexus? FPGA开发平台。


Nexus重新定义低功耗FPGA

FD-SOI制程让莱迪思的工程师能够开发全新电路设计,充分发挥该制程的固有优势。其优势之一就是FD-SOI支援可程式化设计基体偏压(body bias),这是一种位於电晶体基体上的块电阻,能让开发人员在电晶体运行期间进行动态调节。


莱迪思的研发团队发明的可程式化设计基体偏压,能够根据设计的功耗和散热管理需要,让元件以高效能模式或低功耗模式运行。只需通过软体开关即可控制运行模式。开发人员通过对基体偏压进行程式设计实现高效能或低功耗之间的切换,可以优化 FPGA 的功耗/效能,更好地满足应用的功耗和散热管理需求。这不仅有助於降低电池供电的网路边缘设备的功耗,还能降低工业和资料中心等应用的电力成本。根据莱迪思估算,基於Nexus平台的FPGA的功耗将比同类竞品减少高达75%。



图一 : 可程式化设计基体偏压让使用莱迪思Nexus FPGA的开发人员能够密切控制电路的电流泄漏,同时对元件进行微调,实现低功耗或高效能模式。
图一 : 可程式化设计基体偏压让使用莱迪思Nexus FPGA的开发人员能够密切控制电路的电流泄漏,同时对元件进行微调,实现低功耗或高效能模式。

加速AI处理效能

为了支援AI等网路边缘新兴技术,设备的开发人员需要让系统更加智慧。他们的做法是为系统整合更多智慧功能,从而让设备在网路终端执行即时资料处理和分析。然而AI的设计人员面临诸多挑战,AI推理演算法需要大量运算,还要求具备大型记忆体模组在本机存放数值以进行运算。以前AI解决方案的开发人员需要高水准的DSP来实现演算法时,他们往往选择外部资源,如系统中另一个处理器或者云端。然而如此执行AI计算会导致资料延迟,此外将客户资料发送到云端还会引发资料隐私问题和安全隐患。


有了Nexus FPGA技术平台,莱迪思可以通过整合更大的RAM和优化的DSP模组在本机存放资料和执行运算以解决延迟问题。Nexus FPGA比之前的莱迪思FPGA效能提升了一倍(同时功耗降低一半),因此开发人员可以在网路边缘实现AI推理演算法。网路边缘AI推理的潜在应用包括自动工业机器人、ADAS系统、安全监视器和智慧门铃等。


FPGA提供高稳定性

一般半导体元件由於高能粒子(如宇宙射线和α粒子)撞击电晶体,效能会受到损害;这一现象被称为软错误。从软错误中恢复需要重置FPGA,这对於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制程开发的元件通常会使用一些功能来校正软错误,例如晶片上软错误校正(SEC)和错误代码校正(ECC)模组。


莱迪思基於Nexus平台的FPGA不仅支援以上功能,还拥有一层极薄的氧化物(得益於FD-SOI制程技术)保护FPGA中的电晶体,防止高能粒子对基底产生影响。因此基於莱迪思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,对於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,其元件故障可能导致重大伤害和财产损失。


实现小尺寸FPGA

莱迪思Nexus技术平台还能满足网路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於资料中心(云端)的资料分析应用,它们的架构很大,不适用於逻辑单元数量较少的小型FPGA。莱迪思则专注开发小尺寸、低功耗的FPGA,创造了紧凑的FPGA架构,其元件的物理尺寸比相似逻辑密度的FPGA竞品小十倍之多。


技术平台提供完善的系统解决方案

除了Nexus技术平台上电晶体结构的创新之外,莱迪思还研究了设计过程中更高层次的抽象设计,以了解如何协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於使用、直观的设计软体、预先设计的软IP模组、评估板、套件以及完整的叁考设计等资源,从而实现莱迪思目标市场(通讯、运算、工业、汽车和消费电子)的各类常见应用,包括感测器聚合、感测器桥接和影像处理。


让我们进一步了解图二中的感测器聚合演示,看看这类演示如何协助客户快速将产品推向市场。该演示主要用於嵌入式视觉系统,可以从多达四个来源获取影片资料串流,将它们合并为一个资料串流,然後通过高速 MIPI D-PHY将其发送到显示器或处理器以进行後续处理。



图二 : 莱迪思为嵌入式视觉市场提供完整的叁考设计,让开发人员快速轻松地让新产品或现有产品设计支援流行的应用。
图二 : 莱迪思为嵌入式视觉市场提供完整的叁考设计,让开发人员快速轻松地让新产品或现有产品设计支援流行的应用。

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影机和/或雷达感测器收集、汇总资料,然後将其发送给处理器即时做出决策,保障安全。由於无须将多个感测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埠,从而降低系统成本,减小总体尺寸。


在软体方面,莱迪思Nexus平台上的FPGA可搭配设计软体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。


Nexus技术平台的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在视讯讯号桥接、拆分和聚合等应用中的优势,同样支援所有视讯讯号应用。得益於莱迪思Nexus开发平台,CrossLink-NX FPGA系列具有更高的储存逻辑比、优化的DSP、更多的逻辑单元和更快的I/O,能够使用AI演算法处理影像资料,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。最後,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模组以及基於CrossLink-NX FPGA的应用叁考设计。



图三 : CrossLink-NX系列FPGA是首款基於莱迪思Nexus技术平台开发的产品,用於AI和嵌入式视觉应用。
图三 : CrossLink-NX系列FPGA是首款基於莱迪思Nexus技术平台开发的产品,用於AI和嵌入式视觉应用。

结论

如今,快速发展的网路边缘设备市场在要求更高效能和可靠性的同时,希??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慧、低功耗网路边缘设备推向市场,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尺寸、低功耗FPGA的期??。


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