莱迪思Nexus FPGA技术平台在关键任务应用中的优势
|
莱迪思半导体白皮书 2021年5月
工业、汽车、通信、航空航天和安防市场对关键任务(Mission-critical)应用的需求越来越大。如今，莱迪思NexusTM技术平台为用于关键任务(Mission-critical)应用的FPGA提供了绝对的优势。 引言(MPU vs.FPGA) 如今的关键任务系统可能要求相当大的算力。一种计算解决方案就是采用微处理器单元(MPU)，例如PC和工作站。尽管这种处理器看似很强大，但实际上它们只执行简单的任务，例如将两个数字相加或者比较两个数字的大小。同样，它们看似很快，是因为系统时钟以2.4 GHz或者更高频率运行。 问题的关键在于，尽管MPU可以很好地处理决策任务，在执行很多数据处理任务时就不那么高效了。因此， MPU在执行此类任务时往往功耗更大，产生热量更多。 在嵌入式应用中实现信号和数据处理的更有效方法是采用现场可编程门阵列(FPGA)。FPGA受益于自身的并行架构，能以低延迟并行执行数据处理操作。正如专栏文章《FPGA基础知识：FPGA是什么?为什么需要FPGA?》所述：“任何FPGA的核心都在于其可编程架构，它以可编程逻辑模块阵列的形式出现。每个逻辑模块都包含多个要素：一个查找表(LUT)、一个多路开关和一个寄存器，所有这些都可以配置(编程)执行用户所需的功能。” 一种更为形象的描述方法是将可编程逻辑视为可编程互连这片“海洋”中的“岛屿”。可编程逻辑模块组可以经过配置执行所需的逻辑功能，而可编程互连则将逻辑模块相互连接，并且连接到主要的通用输入/输出接口(GPIO)。 需要注意的是，以上描述只是极端简化的情况。除了可编程架构之外，FPGA还可以包含相当于数兆RAM的存储模块以及大量数字信号处理(DSP)单元。同样，除了通用I/O外，FPGA还可以包括支持千兆位串行接口的高速SERDES模块以及与外部存储器连接的高速接口。 FPGA广为人知的一个主要原因是其可编程逻辑可以配置为以大规模并行方式执行相应的数据处理算法，这不仅比MPU快几个数量级，而且功耗很低。此外，与算法“冻结在芯片中”的SoC不同，FPGA的设计可以随时重新配置。此外，由于用户IP由终端用户自行编程， FPGA在制造时不包含任何用户IP，这使得FPGA能够在不受保护的供应链中运输，而不会造成用户IP被盗窃或篡改。这一点也和SOC及ASIC不同。因此，FPGA是包括工业机器人和通信基础设施设备在内的关键任务系统的理想选择。 辐射的挑战 为了拓展容量、提高性能、降低功耗和成本，每一代新芯片的晶体管都变得越来越小。如今芯片中制造的结构大小仅为几十纳米(nm)(一纳米等于一米的十亿分之一)。这些结构非常微小，可能会受到地球上辐射的影响。 此外，关键任务应用的系统一般都部署在持续高水平辐射的环境中，包括高纬度地区甚至太空。 对这类应用而言，有两种辐射效应影响最为严重：单粒子效应(SEE)和电离总剂量效应(TID)。 SEE是指由单个电离粒子(电子、质子、离子、光子等)在集成电路中引起的即时效应。处理SEE需要在辐射发生时能够快速恢复。相比之下，由于长期暴露在辐射下不断累积，TID最终会导致半导体晶格老化。典型的TID效应包括晶体管开关阈值偏移、漏电流增加、性能下降以及最终导致功能故障。因此，解决TID需要长时间抵御辐射并能从中恢复。 单粒子翻转(SEU)是SEE的一种情形，指高能粒子撞击微电路中的敏感节点并引起状态变化。例如，SEU可能导致寄存器单元或存储单元从逻辑0翻转为逻辑1或由到0。与TID引起的问题不同，SEU被定义为“软错误”，因为它可以被校正。 不幸的是，制程越来越先进会导致多单元翻转(MCU)的趋势愈发严重。这意味着，由于芯片中的结构排列非常紧密，SEU实际上可能会使多个存储元件发生逻辑翻转。此外，多位翻转(MBU)是指一种在同一数据字或帧内出现的MCU，可能会对系统的纠错能力产生负面影响。 SEE的另一种形式是单粒子瞬态(SET)，它是指辐射粒子影响一部分组合逻辑而形成脉冲(也称为毛刺或尖峰)。 SET本身并不会造成太大问题，因为通常在系统其他部分检测到之前，它就已经消失了。话虽如此，如果SET恰好发生在错误的时间，则可能在时钟信号控制下进入寄存器元件或存储单元中，这时它就会变为SEU。 另一个潜在的问题是单粒子锁定(SEL)，SEE会可能导致CMOS电路的电源和接地轨之间产生低阻抗通路(实际是短路)。如果发生这种情况，则需要立即对设备重启(关闭电源然后再打开)，防止对其造成严重损坏。不言而喻，在许多情况下重启关键任务设备的电源可能会造成很多问题。 对于FPGA还需要进一步考虑。FPGA除了寄存器元件和RAM单元之外，还包括用于配置可编程逻辑块的配置单元、可编程互连和可编程通用I/O。并且不同的FPGA采用的配置单元技术也不尽相同。 莱迪思提供基于SRAM的全新器件，该器件采用莱迪思Nexus FPGA技术平台开发，为实现用于执行关键任务应用的先进系统提供了绝对的优势。 |
