Low-Power-FPGAs
Mittelklasse-FPGAs mit mehr Leistung
Industrie, Kommunikationstechnik und Wehrtechnik sind die Zielbranchen der neuen FPGAs mit dem Namen PolarFire von Microsemi. Sie bieten hohen Datendurchsatz, Schnittstellen mit hohen Datenraten und einer deutlich reduzierten statischen Leistungsaufnahme.
Mit seiner neuen FPGA-Familie PolarFire zielt Microsemi auf eine Lücke, die sich zwischen dem derzeitigen Angebot an kostenoptimierten und leistungsoptimierten FPGAs öffnet. Bedarf an solchen Mittelklasse-FPGAs mit nichtflüchtigen Speicherzellen, bis zu rund 500.000 Logikblöcken (LE: Logic Element) und Transceiver mit SerDes für Datenraten bis 12,7 Gbit/s sieht Microsemi in der Kommunikationstechnik, z.B. für Mobilfunkinfrastruktur, Backhaul-Systeme, optische Module und 4K-Video, in der Industrie, z.B. Automatisierungstechnik, Prozesssteuerung und industrielle Bildverarbeitung, sowie in der Wehrtechnik, z.B. zur sicheren Funkkommunikation, zur Verschlüsselung und in Radarsystemen. Neben dem hohen Datendurchsatz von max. 40 Gbit/s betont Microsemi bei den PolarFire-FPGAs besonders deren niedrige Leistungsaufnahme, die um fast 50 Prozent unter der vergleichbarer FPGAs anderer Hersteller liegt. Zu der Leistungseinsparung trägt wesentlich die statische Verlustleistung bei, die bei den PolarFire-FPGAs auf einen Wert von 25 mW/100.000 LE gesenkt werden konnte – ein Zehntel gegenüber vergleichbaren FPGAs. Eine weitere Leistungseinsparung ermöglichen die Transceiver (SerDes). Bei 10 Gbit/s benötigt ein Transceiver nur 90 mW und damit rund 50 Prozent weniger als vergleichbare Transceiver in FPGAs. Die Leistungsaufnahme der Logikblöcke dagegen liegt über den Werten, die mit vergleichbaren FPGAs anderer Hersteller erreichbar sind.
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Bildergalerie PolarFire
Den niedrigen Preis erzielt Microsemi dank seines SONOS-Fertigungsprozesses (Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon), der auf einem 28-nm-CMOS-Halbleiterprozess basiert. Auf den Standard-CMOS-Lagen werden lediglich einige wenige Schichten aufgebaut, die für die nichtflüchtigen Speicherelemente benötigt werden. Der SONOS-Halbleiterprozess wurde gemeinsam mit Cypress entwickelt, um preisgünstig FPGAs herzustellen, die eine kleinere Chipfläche benötigen und auch mit einer kleineren Ladungspumpe für die Programmierspannung auskommen – 7,5 V statt 17,5 V. Ein weiterer Vorteil der mit SONOS hergestellten nichtflüchtigen Speicher ist ihr niedriger Leckstrom, der nur ein Zehntel so hoch ist wie bei SRAMs.
Schnelle Ein-/Ausgänge und Hardware-Verschlüsselung
Für die schnelle Datenübertragung lassen sich nicht nur die SerDes-Transceiver nutzen, auch die allgemeinen digitalen Ein-/Ausgänge des PolarFire-FPGAs (Bildergalerie: Bild 1) eignen sich für den schnellen Datenaustausch. Sie ermöglichen eine Datenrate bis zu 1,6 Gbit/s und unterstützen den SGMII-Standard (Serial Gigabit Media-Independent Interface) um z.B. Gbit-Ethernet-Anschlüsse zu realisieren. Für den Anschluss von schnellen Speichern, wie z.B. DDR4-RAMs, mit max. 1,6 Gbit/s sind zusätzlich High-Speed-Ein-/Ausgänge für niedrige Logikpegel (1,2 V bis 1,8 V) vorhanden.
Zum Schutz der Datenübertragung und auch der Konfiguration ist in den PolarFire-FPGAs ein unabhängiger Kryptografie-Coprozessor in Hardware integriert. Er kann Schlüssel generieren um z.B. das Auslesen der Lookup-Tabelle, deren Manipulation und die Neuprogrammierung des FPGAs zu verhindern. Um ein Auslesen oder Analysieren der FPGA-Funktion durch Angriffe wie DPA (Differential Power Analysis) zu verhindern hat Microsemi den vom Unternehmen Cryptography Research, Inc. patentierten Schutz im PolarFire-FPGA implementiert. Die zur Konfiguration genutzten Speicherzellen sind immun gegen SEU (Single Event Upset) und das LSRAM (Large Static Random Access Memory) wird verschränkt genutzt und der Zugriff per SECDED (Single Error Correct Double Error Detect) abgesichert.
Verfügbar ist von der PolarFire-FPGA-Familie zunächst die Version MPF300 mit 300.000 Logikblöcken, in fünf Gehäusevarianten, auch in einem 16 x 16 mm2 winzigen BGA Gehäuse mit 586 Anschlüssen (Bildergalerie: Bild 2). Im Sommer soll die nächst kleinere Version MPF200 mit 192 k Logikblöcken lieferbar sein, gefolgt vom MPF100 mit 109 k Logikblöcken (Bildergalerie: Bild 4). Beide werden Pin-kompatibel zu MPF300-Versionen sein, so dass Entwickler mit dem MPF300 und dem Entwicklungskit schon jetzt arbeiten können auch wenn ihnen ein kleineres FPGA genügen würde. Sie brauchen später nur den MPF300 auf der Leiterplatte gegen seinen kleineren Bruder zu tauschen. Zum Jahresende will Microsemi dann den MPF500 mit 481 k Logikblöcken ausliefern können.
Microsemi Corporation
Embedded World 2017
Halle 1, Stand 660
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