控制與安全，是萊迪思(Lattice)MachXO系列FPGA最鮮明的“標(biāo)簽”。從側(cè)重于控制功能的MachXO/MachXO2/MachXO3，到行業(yè)第一顆安全控制FPGA芯片MachXO3D和具備“高端加密功能”的安全控制FPGA Mach-NX，再到“增強(qiáng)型安全控制FPGA”MachXO5-NX，均是如此。

最新推出的MachXO5T-NX FPGA同樣延續(xù)了這樣的特質(zhì)。憑借行業(yè)領(lǐng)先的低功耗和可靠性，通過(guò)硬核PCIe接口、更多的邏輯和存儲(chǔ)器資源、支持穩(wěn)定的3.3V I/O以及同類(lèi)FPGA競(jìng)品尚不支持的差異化安全功能，成功的將控制FPGA優(yōu)勢(shì)拓展到下一代通信、計(jì)算和工業(yè)應(yīng)用的控制功能領(lǐng)域。

性能參數(shù)全面增強(qiáng)

與MachXO5-NX相比，MachXO5T-NX FPGA的特色賣(mài)點(diǎn)之一是支持PCIe Gen 2硬核模塊，可連接主機(jī)處理器和控制FPGA。同時(shí)，MachXO5T-NX還專(zhuān)門(mén)針對(duì)安全和控制管理進(jìn)行了更進(jìn)一步的優(yōu)化，MachXO5T-NX-55T/100T兩款產(chǎn)品分別擁有53K/96K邏輯單元密度和146/156個(gè)18 X 18乘法器，可提供更強(qiáng)大的計(jì)算和控制功能。結(jié)合7.2Mb嵌入式存儲(chǔ)器和高達(dá)57Mb的專(zhuān)用用戶(hù)閃存，最大限度地減少了對(duì)外部存儲(chǔ)器的需求，從而減小設(shè)計(jì)電路板面積。

與同類(lèi)FPGA競(jìng)品相比，MachXO5T-NX提供高達(dá)3.4倍的嵌入式存儲(chǔ)器，高達(dá)100倍的專(zhuān)用用戶(hù)閃存，邏輯密度與控制接口帶寬均提高了4倍，可輕松應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)復(fù)雜化的趨勢(shì)。同時(shí)，集成閃存支持單芯片解決方案，“避免將一些管腳的數(shù)據(jù)流暴露在外，安全性得到提高”，也支持瞬時(shí)啟動(dòng)操作和可靠的現(xiàn)場(chǎng)更新，以及多個(gè)配置映像。

MachXO5T-NX同樣基于萊迪思Nexus平臺(tái)構(gòu)建，軟錯(cuò)誤率降低100倍，在提高安全關(guān)鍵型應(yīng)用的系統(tǒng)可靠性同時(shí)，簡(jiǎn)化了散熱管理并降低了系統(tǒng)總體運(yùn)營(yíng)成本。

當(dāng)今的CPU之所以強(qiáng)大，是因?yàn)樗鼈兪褂昧俗钕冗M(jìn)的制程工藝，I/O接口電壓基本為1V、1.2V甚至更低。但是，出于成本和性能的考慮，主板上其他組件，比如傳感器、風(fēng)扇控制、LED的制程工藝卻相對(duì)落后，主要使用3.3V I/O接口，這容易導(dǎo)致CPU和其他組件之間出現(xiàn)脫節(jié)，無(wú)法適配，需要FPGA來(lái)進(jìn)行不同電壓間的轉(zhuǎn)換和應(yīng)用其他控制功能。

而MachXO5T-NX FPGA可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。該器件擁有多達(dá)291個(gè)通用I/O，支持提前I/O配置并提供1.25 Gbps SGMII、默認(rèn)下拉、熱插拔和可編程壓擺率等功能，可將CMOS、風(fēng)扇控制、傳感器和開(kāi)關(guān)等其他組件橋接到當(dāng)今的CPU，從而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)。

隨著安全威脅的不斷增加，安全性在任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都越來(lái)越重要。MachXO5T-NX支持AES256位流加密和ECC256身份認(rèn)證，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整性。安全引擎也可在運(yùn)行時(shí)使用，保護(hù)系統(tǒng)和FPGA之間的數(shù)據(jù)交換。相比之下，同類(lèi)FPGA競(jìng)品目前還不能提供運(yùn)行安全(Run-time security)功能。

實(shí)現(xiàn)更高速、更安全的控制

之所以要在控制FPGA中添加PCIe連接功能，是為了滿(mǎn)足客戶(hù)希望在下一代計(jì)算、工業(yè)和通信應(yīng)用中擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)更高速的控制功能需求，下圖展示了這一應(yīng)用。得益于MachXO5T-NX，F(xiàn)PGA和系統(tǒng)帶PCIe接口的CPU/SoC之間的控制接口帶寬被提高到了最高5Gbps的聚合控制信號(hào)，并將其他外圍設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理功能從功耗更大的CPU/Soc分擔(dān)到MachXO5T-NX FPGA上，從而提高了系統(tǒng)的整體效率、兼容性和性能。

為了更加輕松快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，萊迪思MachXO5T-NX開(kāi)發(fā)板采用了400-ball caBGA封裝的LFMXO5-100T器件。該器件提供各種功能和可編程特性，通過(guò)多重引導(dǎo)和PCI Express增強(qiáng)安全控制PLD的功能，其加密引擎支持用戶(hù)模式安全功能。除了加密引擎外，還包括許多系統(tǒng)功能，例如四個(gè)PLL和3744 kbit嵌入式RAM以及硬核I2C和SPI。LFMXO5-100T FPGA還包括一個(gè)硬核PCIe鏈路層IP模塊，支持PCIe Gen1，Gen2 1或2x1配置，其靈活的高性能I/O支持多種單端和差分標(biāo)準(zhǔn)，包括LPDDR4控制器和SLVS。

除此之外，如前文所述，由于當(dāng)前數(shù)據(jù)中心、通信、工業(yè)控制領(lǐng)域中的系統(tǒng)控制架構(gòu)正變得越來(lái)越復(fù)雜，控制單板上的芯片越來(lái)越多，業(yè)界迫切需要芯片商對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成做進(jìn)一步的簡(jiǎn)化，這也給了MachXO5-NX系列施展才華的舞臺(tái)，開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目(OCP)硬件管理項(xiàng)目的子項(xiàng)目“DC-SCM”(Datacenter-ready Secure Control Module)便是代表性案例。

DC-SCM提供了將常見(jiàn)的服務(wù)器管理、安全和控制功能從主板轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)尺寸模塊(CFM)的指南，定義了與CPU板互操作的輸入/輸出端口。DC-SCM服務(wù)器在HPM(主機(jī)處理器模塊)板上只有基本的中央計(jì)算元件(CPU)、高速存儲(chǔ)器和I/O連接器，其他所有組件均在模塊化DC-SCM(安全、控制、管理)板上。

這種設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處是多樣的，例如DC-SCM能輕松實(shí)現(xiàn)CPU/存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)和部署，因?yàn)楣芾?、安全和控制功能都?dú)立于CPU/存儲(chǔ)器板的開(kāi)發(fā)； DC-SCM使用開(kāi)源模塊化方法，采用高速互連(PCIe)等通用接口，輕松實(shí)現(xiàn)互操作性；安全控制模塊的功能相對(duì)獨(dú)立，使得系統(tǒng)管理和安全性能不斷發(fā)展且獨(dú)立于CPU的更新?lián)Q代。

萊迪思非常重視DC-SCM，擁有一系列支持DC-SCM、可信根和用戶(hù)電源控制邏輯的FPGA產(chǎn)品，以及經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的DC-SCM參考設(shè)計(jì)，可供更廣泛的DC-SCM客戶(hù)和電路板設(shè)計(jì)人員使用，幫助他們輕松實(shí)現(xiàn)DC-SCM。同時(shí)，萊迪思緊密集成的解決方案可以為電路板設(shè)計(jì)人員提供統(tǒng)一的單個(gè)FPGA解決方案，而無(wú)需針對(duì)LTPI、安全和控制提出不同的解決方案組合，提高了性能，降低了功耗，且在電路板上占用很小的空間。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，生成式人工智能工具的興起極大推動(dòng)了AI的進(jìn)一步發(fā)展，但這也需要系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施跟上步伐，因?yàn)橄到y(tǒng)控制復(fù)雜性與日俱增，對(duì)存儲(chǔ)容量、系統(tǒng)控制接口速度和帶寬要求也不斷增長(zhǎng)，還需要使用安全可靠的器件簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成。

憑借更高的邏輯密度、更快的接口、更大的內(nèi)部存儲(chǔ)和先進(jìn)的互連，MachXO5T-NX系列將萊迪思在控制FPGA領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到了企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器視覺(jué)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域更廣泛的控制功能設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，鑄就了安全控制FPGA的新里程碑。

審核編輯：湯梓紅