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不止低功耗,Lattice让FPGA更安全

关键词:FPGA芯片 系统控制架构 DC-SCM模块

时间:2022-07-28 10:25:54      来源:莱迪思半导体

凭借低功耗的特性,Lattice的FPGA芯片在通信、工业、汽车以及消费电子等领域皆有一席之地。从全球角度来看,目前Lattice已是全球出货量最多的FPGA供应商。而最近几年,Lattice正在低功耗之外,探索着更多的新功能特性。近日,Lattice一连推出了两款产品,剑指安全特性。

凭借低功耗的特性,Lattice的FPGA芯片在通信、工业、汽车以及消费电子等领域皆有一席之地。从全球角度来看,目前Lattice已是全球出货量最多的FPGA供应商。而最近几年,Lattice正在低功耗之外,探索着更多的新功能特性。近日,Lattice一连推出了两款产品,剑指安全特性。
 
系统控制架构愈加复杂,FPGA能干什么?
 
当前数据中心、通信、工业控制领域中的系统架构正变得越来越复杂,控制单板上的芯片也越来越多,各种特定功能的负载推动着独立安全模块架构的发展,如下图示例1所示,单块服务器主板逐渐演变出了“模块化服务器主板”和“DC-SCM”。因此也需要更强大的控制解决方案。FPGA将是相对较好的一个选择。
 
“其实,DC-SCM模块,可以用FPGA、MCU或者用ASIC都行。但在独立安全模块架构的演进过程中,到底这个模块里面需要有哪些信号是要进行互联还没有最终的安全定义,而 FPGA 有相对的灵活性,所以用FPGA可以适配不同的需求。而且目前采用FPGA的方案在成本上并没有额外的增加。”莱迪思半导体亚太区应用工程总监谢征帆指出。
 
另一方面,随着CPU/SoC采用更先进的制造工艺,I/O接口标准越来越向低电压方向发展,来到1.2V/1V甚至更低,但是出于成本和性能的考虑,主板上的其他组件如传感器、风扇控制、LED的制程工艺却相对落后,主要使用3.3V I/O接口,如实例2所示。但当今的CPU/SoC缺少3.3V I/O接口,这就容易导致CPU和其他组件之间出现脱节,无法适配。因此,就需要FPGA来进行不同电压间的转换和应用其他控制功能。


上图反映了以上提到的两大应用需求痛点

在两种需求的共同驱使下,简化系统设计和集成不可或缺。对此,近日,Lattice推出了“增强型安全控制FPGA”——MachXO5-NX FPGA来应对这些挑战。
 
MachXO5-NX安全控制背后的大招
 
首先需要了解的是,Lattice一直是安全控制FPGA领域的市场领导者,MachXO5-NX产品也是为了拓展在安全控制 FPGA 领域的领先地位而推出的新品。
 
回看整个MachXO家族的发展历程,从2005年问世的MachXO开始,到后续的MachXO2、MachXO3,这三款产品还都只是侧重于控制功能。但从2019年,Lattice在MachXO3D中将一系列跟安全相关的模块内嵌在了芯片里,也因此MachXO3D成为了行业第一颗安全控制FPGA芯片。2020年又发布了支持ECC384加密算法的Mach-NX,属于高端加密功能级别。Lattice可以说是将安全功能做到了硬件级别,从而能够在系统层面防范未经授权的固件攻击,这些都为现在的MachXO5-NX的推出奠定了坚实的技术基础。

MachXO5-NX是一款增强型监控和控制FPGA,它具有四大核心竞争力:“更多FPAG资源”、“集成闪存”、“行业领先的安全性能”、“稳定的可编程I/O”和“领先的低功耗和稳定性”。凭借这些特性,MachXO5-NX将目标市场锁定在了服务器计算、通信、工业和汽车市场的系统监控与控制,以期实现最新一代的安全控制功能。


MachXO5-NX FPGA结构示意图

具体来看,首先,MachXO5-NX提供了更多的FPGA资源,其拥有25K逻辑单元密度和更多的DSP模块与ADC模块,可提供更强大的计算和控制功能。结合1.9Mb嵌入式存储器和高达9.2Mb的专用用户闪存,最大限度地减少了对外部存储器的需求,从而减小设计电路板面积。
 
第二,在芯片里面集成闪存,除了配置芯片功能的闪存,还给用户留出了足够多的Flash 做一些自己的用途,这样用户就无需再外挂,一方面可以降低客户的成本,二则可以减少 PCB 的面积,更重要的是Flash集成在内部的单芯片解决方案,能够避免把一些管脚的数据流暴露在外面,在安全性上得到更大的提高。另外,MachXO5-NX还提供支持 1.0V 的 I/O、比特的加密认证,以及runtime security。
 
因此,与密度相近的竞品FPGA如Spartan7或者是Max10相比,都具有较大的优势,其中与Max10相比,MachXO5-NX提供高达2.9倍的嵌入式存储器容量,以及高达36倍的专用用户闪存,能轻松应对设计复杂化的趋势。

第三是基于Nexus 平台,Nexus平台是Lattice 3年前推出的,该平台基于FDSOI工艺,具有低功耗、软失效率极低的特点。在该工艺基础上,Lattice已经陆续推出了面向嵌入式视觉的CrossLink-NX, 通用型的Certus-NX, 第二代安全用途的Mach-NX和高级通用的CertusPro-NX这四个系列,分别具有不同功能面向不同应用。此次推出的MachXO5-NX主要面向增强型监控和控制用的FPGA,与同类FPGA竞品相比,该器件的功耗降低70%,软失效率降低100倍,还有ADC、SGMII的专用模块。

第四是可编程的I/O,MachXO5-NX能够快速启动I/O,且I/O数量高达300个,其中有80%支持3.3V信号,提供默认下拉、热插拔和可编程压摆率等功能;
 
所以总体来看,MachXO5-NX是Lattice在安全控制领域的又一大跃升。它能够为当下复杂的系统设计提供更多的FPGA资源、更高级的I/O特性,并能简化系统开发,同时,基于Nexus 的平台,能够一如既往的保持FPGA芯片的低功耗高性能和高稳定性的特点。目前MachXO5-NX的样片已经推出并交付给几个重点的客户,并开始在他们的产品中陆续应用。

Lattice发布首款ORAN™解决方案集合
 
除了低功耗的FPGA硬件之外,这几年Lattice也陆续推出了一些解决方案。如2018年推出的senseAI方案,2020年持续推出了mVision和Sentry的方案,去年又推出了Automate方案。这些方案在过去几年里屡获殊荣。现在,Lattice又针对5G ORAN的部署,推出了ORAN 解决方案集合(或堆栈)。
 
那么为何是ORAN呢?据Lattice半导体亚太区市场开拓总监林国松的介绍,主要原因可以归结为两大方面:一是ORAN的广阔市场,据Kenneth Research的数据显示,受5G技术快速普及的推动,全球ORAN市场规模到2028年预计将达到220亿美元,2020年到2028年间的复合年增长率为85%。ORAN的一大优势是能最大程度避免供应商锁定、降低成本、鼓励创新。也因此ORAN获得了业界的广泛关注。
 
另一方面,从封闭走向开放的ORAN,OPEN-RAN的特点允许有更多的供应商能够加入,且供应商和供应商之间是需要互联的,由于内部接口的进一步开放,也更容易受到攻击。许多移动运营商都在根据ORAN联盟制定的规范部署原生云和虚拟无线接入网(RAN)架构,Lattice作为通信领域的长期关注者和深耕者,也将为ORAN的部署出一份力。
 
其实,通信领域是莱迪思主要的收入来源。莱迪思在控制逻辑方面,也就是I/O expansion占有很大比例,可以说莱迪思是最大的为通信行业提供控制芯片的公司。在4G时代,Lattice的FPGA主要发力在控制功能,到了5G时代,在保持控制功能的基础上,也逐渐加入了电源管理和桥接等功能。在Lattice看来,接下来的5G发展,将会更多的引入安全功能。因此5G ORAN成为Lattice安全控制芯片下一步发展的一个切入点。
 
不止是安全性的需求,ORAN的部署从RU(Radio Unit)一直到DU(Distribution Unit)之间的互相传递有更加紧密、高速的交付需求。当然,低功耗将是绕不开的需求。所以综合看下来,解聚合的ORAN这种开放环境需要安全可靠的通信、跨多个组件的紧密同步以及高效的低功耗硬件加速。
 
在这样的背景和需求之下,Lattice推出了具有强大安全性、灵活的前传同步和低功耗加速特性的ORAN解决方案1.0集合。如下图所示,从底层的硬件平台开始,Lattice主要是基于现有的安全控制开发板和加速同步开发板,并搭配实现对应功能的所有软件,包括加密的AES, ECC以及eCPRI IP等;软件工具主要基于Lattice RADIANT,用来开发FPGA自身的逻辑代码,以及在软核IP上进行二次C代码开发的Lattice PROPEL。在此基础之上,Lattice还提供参考设计和演示,以及和第三方合作的定制化服务。

ORAN解决方案集合1.0 最重要的一点是其安全特性。通常来说,终端是相对安全的,但是从一个安全点到另一个安全点的通道上却没有很强的保护,所以Lattice的ORAN解决方案着重在数据传输方面增加了安全性,通过加密和身份验证保护“线路”以减少攻击面。
 
而除了安全之外,ORAN解决方案也再次彰显了Lattice FPGA本身的优势,一是低功耗,与同类FPGA竞品相比,该方案功耗最多降低75%,封装尺寸最多减小90%;而且Lattice也在努力地实现零信任安全机制;第三是瞬时启动,这是Lattice硬件FPGA本身的特性;最后就是数据的稳定性,基于所选用的工艺,将软失效率最高降低100倍,实现高稳定性和可用性。
 
林国松表示,针对未来 ORAN 的发展,我们将持续地每半年到一年对方案进行更新,在ORAN解决方案集合后续的2.0、3.0版本中,持续强化上述特性。
 
结语

可以看出,无论是硬件产品MachXO5-NX,还是软硬结合的5G ORAN的解决方案都凸显了Lattice对安全特性的研究和重视,其实,安全特性已成为各个新兴领域的共性需求。这也彰显了Lattice的产品内部发展逻辑,那就是,在保证低功耗FPGA的基础上,Lattice正不断的扩展芯片的其他新功能,以此来进一步丰富和拓展莱迪思现有的产品和解决方案矩阵,并为解决行业现存的痛点和挑战带来新的可能。

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