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[導讀]28 nm FD-SOI究竟有何神奇之處?

隨著摩爾定律的放緩以及登納德縮放比例定律和阿姆達爾定律接近瓶頸,異構和加速時代已降臨,FPGA廠商在近期的大動作也不斷,不斷刷新FPGA的容量。當然,隨之而來的也在不斷搶占軟件、加速器和數據中心的市場,以保證其在生態和尖端市場的建設。

問題來了,的確在尖端市場上,這些產品非常優秀,但既追求性能又追求價格、尺寸和功耗的消費類市場怎么辦?這就需要一家專心這一領域,并不斷優化的廠商了。

在此方面,便不得不提到Lattice(萊迪思半導體),作為FPGA知名廠商之一,該公司在此前的戰略便是專注于消費類市場產品的研發,提供既兼顧了高性能又擁有極高性價比的小尺寸低功耗產品,特別是嵌入式視覺方面。當然,Lattice也并不只局限于消費電子,小系列產品均是這家公司的強項。

最近,Lattice就推出了一個新的平臺Nexus和采用該平臺并結合28 nm FD-SOI(耗盡型絕緣層上硅)的產品。21ic中國電子網受邀參加此次新品發布會,萊迪思半導體亞太區產品市場部總監陳英仁現場為記者解答相關問題。

 

為什么偏偏是28nm FD-SOI

 

5G和云端絕對是今年最熱的話題,當然緊隨著后的這幾年行業一直主推的AI和IoT。行業人士普遍認為,AI算法目前來說其實突破并不明顯,大數據和云計算的發展順勢造就了AI,構建了“端-邊-云”一體化的格局。

所以在5G和云端的不斷成長下,無論是在機器視覺還是邊緣處理方面,均擁有著龐大體量的智能汽車、智能家居和智能工廠應用,而這些場景選擇大多數偏向于小系列產品。但矛盾的是,行業普遍既追求“高性能”,又追求“低功耗”。

陳英仁對記者表示,正為解決這種矛盾,所以才選擇了28 nm FD-SOI。據他解釋表示,FD-SOI可在襯底這部分進行電壓控制,因此反饋偏壓(Back Bias)是可控的,在此方面可自由進行低功耗和高性能的設定切換。在此情況下,應用28nm FD-SOI工藝的FPGA便可既具有“高性能”也具有“低功耗”兩種特性。

這種“低功耗”與“高性能”轉換最大的好處便是可解決許多使用電池的應用,在大多數工廠、消費電子越來越講求便利性,為保持機動性難免使用電池。當然,低功耗換言之,其實也意味著減少了用電成本,減少了功耗帶來的熱量而節省了散熱成本。

FD-SOI可兼具高性能和低功耗

圖1:FD-SOI可兼具高性能和低功耗

28 nm FD-SOI帶來的另外的一個重要優勢便是穩定性,陳英仁表示,很多消費或工業類產品并不在乎穩定性,重啟解決一切,然而一些牽扯安全甚至生命的應用穩定性的優點便凸顯出來了。

那么這是如何是實現的?陳英仁為記者介紹表示,其實不穩定因素來源于輻射,因其強力的穿透力導致許多采用CMOS的制程受到它的干擾,特別是傳統使用SRAM制程的FPGA產品。而28nm FD-SOI則擁有較薄的氧化層,因此關鍵區域的減少,使得軟錯誤率(SEU)隨之而降。陳英仁強調,單單選擇這個工藝,便可將失效降低100倍,換言之便是可靠性增強了100倍,因此對于諸如汽車、工業、通信、數據中心甚至航空都是非常重要的,特別是航空方面擁有更多的輻射。

FD-SOI可使可靠性提高100倍

圖2:FD-SOI可使可靠性提高100倍

另外28 nm FD-SOI工藝的產品與bulk CMOS工藝相比,這項技術的漏電也降低了50%。目前來說,Lattice在28 nm FD-SOI方面的產品是三星在此方面代工,陳英仁表示,明年的新產品也會繼續在28 nm方面產品繼續發力。

 

一個平臺多個產出

 

當然,既然選用28 nm FD-SOI這一工藝,如何產出產品?答案就是Lattice全新推出的低功耗FPGA技術平臺——Lattice Nexus™。

上文也有提到,Lattice一直擅長的便是消費領域,而隨著5G、云端、智能家居/智能工廠,智能視覺等不同應用提出不同的產品需求且快速變化,市場不明確的情況下,很難復用一項技術。因此,據陳英仁表示,Lattice Nexus便是一種平臺化的新模式,在三星28 nm FD-SOI這一工藝下,最大化設計復用,降低開發成本并加速產品迭代。

利用Lattice Nexus最大化設計復用

圖3:利用Lattice Nexus最大化設計復用

不止如此,Lattice Nexus技術平臺還提供了創新的系統級解決方案,提升了易用性。這些解決方案集合了設計軟件、預置的軟IP模塊、評估板、套件和參考設計,幫助客戶更快地構建系統。它們主要針對嵌入式視覺等增長迅猛的應用領域,包括了傳感器橋接、傳感器聚合和圖像處理等解決方案。

并且,Lattice Nexus這個技術平臺擁有創新的架構,能在行業領先的低功耗條件下優化系統性能。例如,該平臺優化的DSP模塊和更大的片上存儲器可實現低功耗高性能的計算,如AI推理算法,并且運行速度是之前萊迪思FPGA的兩倍而功耗減少一半。


Nexus產出的首款產品CrossLink-NX

 

既然有了可設計復用的平臺,因此第一款產品則是該平臺邁出的重要一步。此前2019年10月,21ic中國電子網在《FPGA怎樣應對嵌入式視覺市場之“變”?》一文中報道了Lattice在嵌入式視覺市場的新產品CrossLink Plus。而該平臺產出的第一款產品CrossLink-NX,顧名思義,便是“NEXT”,在28 nm FD-SOI的加持下,各項指標均有了大幅度的提升。

為什么要推出CrossLink-NX,陳英仁為記者解釋表示,嵌入式視覺應用越來越擴大化,無論是工廠機械化視覺還是車載視覺方面,都需要FPGA進行有效連接。另外,消費電子目前甚至已達到了8k,并擁有五花八門分辨率的LCD產品,因此更加低功耗、高性能、小型化、可靠性高、易于使用的產品便是市場急需的。

CrossLink-NX詳情

圖4:CrossLink-NX詳情

陳英仁為記者介紹表示,這款產品最大的特點便是可切換“低功耗模式”與“高性能模式”,即控制反饋偏壓。與上一代產品相比,內嵌了更大的閃存,并首次加入了DSP模塊乘加法。

在I/O部分,CrossLink的特色一直是使用硬核PCle提升速率,并可在特殊應用方面應用。CrossLink-NX在I/O方面與CrossLink Plus相比,從1.5 Gbps提升至2.5 Gbps;可編程I/O個數也從29個提升至192個。陳英仁為強調,目前SoC基本上也是2.5 Gbps,所以下一步將計劃充分與SoC進行結合。

IO的提升拓展了嵌入式視覺應用

圖5:IO的提升拓展了嵌入式視覺應用

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

CrossLink-NX擁有超高的性能

圖6:CrossLink-NX擁有超高的性能

在功耗方面,得益于28 nm FD-SOI這一工藝的“黑科技”,靜態功耗相比競爭對手產品減少了75%。

CrossLink-NX功耗減少75%

圖7:CrossLink-NX功耗減少75%

在尺寸方面,陳英仁強調,Lattice是持續不斷進行小尺寸優化的,因為追求的不僅僅的性能。CrossLink-NX 40k邏輯單元的產品與其它兩家,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邏輯單位是19×19 mm,比Lattice的大10倍。所以可以看出在封裝上也會有非常大的差異化。

CrossLink-NX尺寸小于同類產品10倍

圖8:CrossLink-NX尺寸小于同類產品10倍

在存儲器方面,CrossLink-NX每一個邏輯單位會配備170 bit的記憶體,這樣便比競爭對手大了好幾倍,可以更有效的進行圖形處理和AI推理,甚至可與軟核MCU的搭配。

CrossLink-NX擁有更大的存儲器

圖9:CrossLink-NX擁有更大的存儲器

在啟動時間上,此前在介紹CrossLink Plus時也有提及系列產品內嵌了閃存,可將喚醒時間降低在6 ms以下,減少啟動時的視覺假象,達到無縫的視覺體驗。CrossLink-NX則可控制在3 ms以下,啟動更快,相對其他產品甚至相差百倍。

CrossLink-NX可瞬間啟動

圖10:CrossLink-NX可瞬間啟動

在可靠性方面,仍然是得益于28 nm FD-SOI制程的優勢,使得軟錯誤率(SER)可降低100倍。

CrossLink-NX可靠性比同行業高出100倍

圖11:CrossLink-NX可靠性比同行業高出100倍

 

更簡單的軟件加速FPGA設計

 

眾所周知,尖端FPGA大廠都在“從硬變軟”,陸續推出軟件平臺。當然,Lattice也在軟件設計工具為工程師帶來了易用性的提升,即新推出的FPGA軟件設計工具Lattice Radiant™2.0。

FPGA設計門檻高一直是被工程師詬病的缺點之一,目前來說Radiant 2.0在調試工具方面相比過去做很大的改善,并提供持續更新,現在也會支持業界標準的SDC;另外還加入了ECO編譯器和同步開關輸入(SSO)計算器分析單個引腳的信號完整性,這會讓懂FPGA的客戶更容易去用Lattice的FPGA。

陳英仁補充表示,在參考設計和IP方面,一直也是Lattice的強項,陸續推出的參考設計與IP將會讓工程師更容易上手參與設計。并且Lattice在上海這邊的團隊也會幫助客戶開發相關方案。

全新的工具和IP核幫助工程師輕松設計

圖12:全新的工具和IP核幫助工程師輕松設計

目前來說,CrossLink-NX現已提前供應,首批客戶的系統正在開發之中,另外,目標30多名客戶已開始試用。

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·《FPGA怎樣應對嵌入式視覺市場之“變”?

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