先进控制FPGA加速推进AI基础设施跃迁

控制与安全，是莱迪思(Lattice)MachXO系列FPGA最鲜明的“标签”。从侧重于控制功能的MachXO/MachXO2/MachXO3，到行业第一颗安全控制FPGA芯片MachXO3D和具备“高端加密功能”的安全控制FPGA Mach-NX，再到“增强型安全控制FPGA”MachXO5-NX，均是如此。

最新推出的MachXO5T-NX FPGA同样延续了这样的特质。凭借行业领先的低功耗和可靠性，通过硬核PCIe接口、更多的逻辑和存储器资源、支持稳定的3.3V I/O以及同类FPGA竞品尚不支持的差异化安全功能，成功的将控制FPGA优势拓展到下一代通信、计算和工业应用的控制功能领域。

性能参数全面增强

与MachXO5-NX相比，MachXO5T-NX FPGA的特色卖点之一是支持PCIe Gen 2硬核模块，可连接主机处理器和控制FPGA。同时，MachXO5T-NX还专门针对安全和控制管理进行了更进一步的优化，MachXO5T-NX-55T/100T两款产品分别拥有53K/96K逻辑单元密度和146/156个18 X 18乘法器，可提供更强大的计算和控制功能。结合7.2Mb嵌入式存储器和高达57Mb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。

与同类FPGA竞品相比，MachXO5T-NX提供高达3.4倍的嵌入式存储器，高达100倍的专用用户闪存，逻辑密度与控制接口带宽均提高了4倍，可轻松应对设计复杂化的趋势。同时，集成闪存支持单芯片解决方案，“避免将一些管脚的数据流暴露在外，安全性得到提高”，也支持瞬时启动操作和可靠的现场更新，以及多个配置映像。

MachXO5T-NX同样基于莱迪思Nexus平台构建，软错误率降低100倍，在提高安全关键型应用的系统可靠性同时，简化了散热管理并降低了系统总体运营成本。

当今的CPU之所以强大，是因为它们使用了最先进的制程工艺，I/O接口电压基本为1V、1.2V甚至更低。但是，出于成本和性能的考虑，主板上其他组件，比如传感器、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，这容易导致CPU和其他组件之间出现脱节，无法适配，需要FPGA来进行不同电压间的转换和应用其他控制功能。

而MachXO5T-NX FPGA可以应对这一挑战。该器件拥有多达291个通用I/O，支持提前I/O配置并提供1.25 Gbps SGMII、默认下拉、热插拔和可编程压摆率等功能，可将CMOS、风扇控制、传感器和开关等其他组件桥接到当今的CPU，从而简化开发板设计。

随着安全威胁的不断增加，安全性在任何系统设计中都越来越重要。MachXO5T-NX支持AES256位流加密和ECC256身份认证，保护系统设计的完整性。安全引擎也可在运行时使用，保护系统和FPGA之间的数据交换。相比之下，同类FPGA竞品目前还不能提供运行安全(Run-time security)功能。

实现更高速、更安全的控制

之所以要在控制FPGA中添加PCIe连接功能，是为了满足客户希望在下一代计算、工业和通信应用中扩展和实现更高速的控制功能需求，下图展示了这一应用。得益于MachXO5T-NX，FPGA和系统带PCIe接口的CPU/SoC之间的控制接口带宽被提高到了最高5Gbps的聚合控制信号，并将其他外围设备的实时监控和管理功能从功耗更大的CPU/Soc分担到MachXO5T-NX FPGA上，从而提高了系统的整体效率、兼容性和性能。

为了更加轻松快速实现设计，莱迪思MachXO5T-NX开发板采用了400-ball caBGA封装的LFMXO5-100T器件。该器件提供各种功能和可编程特性，通过多重引导和PCI Express增强安全控制PLD的功能，其加密引擎支持用户模式安全功能。除了加密引擎外，还包括许多系统功能，例如四个PLL和3744 kbit嵌入式RAM以及硬核I2C和SPI。LFMXO5-100T FPGA还包括一个硬核PCIe链路层IP模块，支持PCIe Gen1，Gen2 1或2x1配置，其灵活的高性能I/O支持多种单端和差分标准，包括LPDDR4控制器和SLVS。

除此之外，如前文所述，由于当前数据中心、通信、工业控制领域中的系统控制架构正变得越来越复杂，控制单板上的芯片越来越多，业界迫切需要芯片商对系统的设计和集成做进一步的简化，这也给了MachXO5-NX系列施展才华的舞台，开放计算项目(OCP)硬件管理项目的子项目“DC-SCM”(Datacenter-ready Secure Control Module)便是代表性案例。

DC-SCM提供了将常见的服务器管理、安全和控制功能从主板转移到标准尺寸模块(CFM)的指南，定义了与CPU板互操作的输入/输出端口。DC-SCM服务器在HPM(主机处理器模块)板上只有基本的中央计算元件(CPU)、高速存储器和I/O连接器，其他所有组件均在模块化DC-SCM(安全、控制、管理)板上。

这种设计带来的好处是多样的，例如DC-SCM能轻松实现CPU/存储器的设计和部署，因为管理、安全和控制功能都独立于CPU/存储器板的开发； DC-SCM使用开源模块化方法，采用高速互连(PCIe)等通用接口，轻松实现互操作性；安全控制模块的功能相对独立，使得系统管理和安全性能不断发展且独立于CPU的更新换代。

莱迪思非常重视DC-SCM，拥有一系列支持DC-SCM、可信根和用户电源控制逻辑的FPGA产品，以及经过充分验证的DC-SCM参考设计，可供更广泛的DC-SCM客户和电路板设计人员使用，帮助他们轻松实现DC-SCM。同时，莱迪思紧密集成的解决方案可以为电路板设计人员提供统一的单个FPGA解决方案，而无需针对LTPI、安全和控制提出不同的解决方案组合，提高了性能，降低了功耗，且在电路板上占用很小的空间。

结语

近年来，生成式人工智能工具的兴起极大推动了AI的进一步发展，但这也需要系统基础设施跟上步伐，因为系统控制复杂性与日俱增，对存储容量、系统控制接口速度和带宽要求也不断增长，还需要使用安全可靠的器件简化系统设计与集成。

凭借更高的逻辑密度、更快的接口、更大的内部存储和先进的互连，MachXO5T-NX系列将莱迪思在控制FPGA领域长期以来的优势扩展到了企业网络、机器视觉和工业物联网等领域更广泛的控制功能设计和应用中，铸就了安全控制FPGA的新里程碑。

审核编辑：汤梓红