做小型FPGA的思路：莱迪思Nexus 2是个范本

莱迪思（Lattice）在最近的新品发布会活动上援引统计机构IHS的数据，FPGA这类型的芯片未来4-6年的市场增长速度，会快于整个半导体市场。虽然不同研究机构给出的FPGA市场规模数据量级有差异，但这的确是个共识。

一般这些报告都提到了包括汽车ADAS、IoT、AI、通信等领域的潜在推动力。莱迪思列举的现有FPGA应用包括工厂自动化、数据中心服务器、客户端计算设备、5G+无线基础设施、汽车电子等。

而在莱迪思看来，未来4-6年，莱迪思作为FPGA市场的一员——而且是全球FPGA出货量最大供应商（也是全球小型FPGA第一大供应商）——企业增长速度也会快于FPGA市场平均增速。

莱迪思亚太区应用工程高级总监谢征帆提到，莱迪思眼中的增长驱动关键因素包括网络边缘AI、数据中心AI、传感器到云端互连、网络安全和机器人等。

观察这家公司近些年的财报会发现，其2021财年营收大约5.15亿美元、2022年6.60亿、2023年7.37亿。2023年报中提到产品组合扩张是实现营收增长的重要因素，包括两年前莱迪思推出Avant系列中端FPGA，扩充此前Nexus这类小型FPGA的的市场；还有尝试不断引入新版本、面向特定应用的解决方案堆栈。

所以我们认为，莱迪思之所以敢说4-6年内会的业务增长将快于市场均值，FPGA产品本身覆盖市场范围的扩张，以及针对不同应用解决方案的推出，会是其中关键。

所以最近的莱迪思开发者大会上，莱迪思发布了新品及对应的软件支持：包括小型FPGA的Lattice Nexus 2平台，及对应的Certus-N2系列产品；而中端FPGA定位的Avant平台也新增了Avant 30和Avant 50选择。这都称得上是产品及市场拓展。

新增Nexus 2平台，升级点包括…

莱迪思2019年底推出Nexus平台，主打的就是“小型FPGA”。莱迪思对于“小型FPGA”的定义是逻辑密度低于200K SLC的FPGA。这么多年来，这也始终是莱迪思的主场。目前Nexus平台下有8款产品，面向不同市场。

媒体会上，谢征帆强调莱迪思的芯片产品强调五大特性：最小尺寸、最低功耗、情景感知网络边缘AI、最强安全性、易于使用。这些特点是能够在莱迪思Nexus平台上最为淋漓尽致地体现的。熟悉Nexus平台FPGA芯片的读者应该知道，该系列芯片相比同档竞品，有着功耗、性能、尺寸和安全性等方面的量级优势。

今年上半年莱迪思就有个名为double Nexus的项目，旨在让该系列产品组合的数量翻倍：提供不同逻辑密度、不同封装选择。据说是在进行客户调研、了解需求之后所做的决策。新增的产品选项预计会在明年推向市场。这本身就是基于现有资源的产品拓展。

而本次新发布的Nexus 2平台应该就是在此基础上，围绕上述几个关键点做强化，被莱迪思称为“下一代小型FPGA平台”。莱迪思强调的三大改进，仍然是“先进的互连”，“优化的功耗和性能”，以及“领先的安全性能”。

互连方面，Nexus 2平台在接口类型上支持高速MIPI D & C-PHY，速度最高至7.98Gbps；多协议16G SERDES，带PCIe Gen 4控制器；LPDDR4接口支持最高2.4Gbps速率（1033MT/s→2400MT/s）。

新平台相较以前的Nexus，互连方面的主要性能指标做到了翻倍，包括闪存接口速度倍增，LPDDR4速率倍增等。所以是在提供更多样化接口的基础上，达成更快的传输速率支持。

功耗和性能表现则一直是莱迪思的强项。谢征帆在介绍中提到，Nexus 2平台“专为小型FPGA进行了架构和功能的优化，在保持低功耗优势的同时提升可编程速度”，频率提升至350MHz。另外，单位逻辑DSP翻倍，INT8运算效率也更高——故而也就能够更好地适配AI应用。

安全性上，Nexus 2强调了安全算法更新，“应对后量子时代的潜在威胁”——应该是指着眼在FPGA中实现业界已经提出的某些抗量子计算攻击方案，且依托FPGA的可编程性，可对已部署的算法做调整；片内集成Flash、快速启动，以及“FPGA设计和用户数据传输安全”，也都表现出Nexus 2的安全性考量。

落实到产品层面，Nexus 2平台也会有3个产品系列：作为通用FPGA的Certus, 视频互连的CrossLink，以及着力在控制&安全的Mach。

本次发布了Certus-N2系列，即通用型FPGA，具体到对应产品及规格如上图所示。谢征帆强调了Certus-N2“在系统扩展性和安全桥接这两方面能满足潜在客户的需求”。

Nexus 2和两款竞品的比较

和竞品比性能、功耗、尺寸的量级优势，一直是莱迪思的传统艺能，Nexus 2自然也不例外。这次，莱迪思选择的对比对象是Altera Cyclone 10GX 220和AMD Artix UtraScale+ AU20P，与新发布的Certus-N2 CT20比较。

实际上基于莱迪思与前两位竞争对手的生态位差异，竞品的确在莱迪思更擅长的小型FPGA领域没有优势可言。所以这次我们除了呈现对比结果之外，基于公开的Nexus 2白皮书，也终于有机会更深入地了解，莱迪思小型FPGA各方面优势的原因。

首先比的是功耗。从功耗角度看，Certus-N2为竞品的1/3。

在这项对比中，三款FPGA应用相同的RTL设计；RTL设计占用相似的资源，大约107k SLC（61k LUT/122k寄存器）。在0-300MHz全频率段，Nexus 2都表现出了功耗上的优势，包括更低的静态和动态功耗。

Nexus 2没有像Nexus一样继续采用FD-SOI工艺，而是基于16nm FinFET工艺。虽然我们知道FD-SOI具备低功耗优势，但16nm的工艺微缩（相较28FDSOI），理论上仍然应该能够达成更低的功耗。白皮书中还着重提到的，是LUT4对于小型FPGA而言在设计上就性能和功耗的价值。

安全性对比上，除了加密敏捷、量子安全加密和可信根这些现代化的必选项，莱迪思将自家Certus-N2，与竞品比较了配置时间。因为芯片加载速度与系统安全性密切相关——“如果我们的芯片作为可信根，芯片就需要快速上电、加载，否则会导致安全链受影响。”谢征帆谈到。

比如说要确保工业生产安全，系统必须具备即时故障恢复能力，也就相关于启动速度——如智能传感器故障，必须尽可能在瞬间恢复工作。

故而上图对比了外部闪存配置速度，具体的时间值是从INIT有效（assertion）到DONE信号引脚有效的时间。测试结果显示，Certus-N2相比另外两款竞品快出15-20倍。

白皮书中列出影响FPGA启动时间的要素，除了闪存自身的速度之外，还包括时钟频率、接口类型及配置数据大小。Certus-N2的闪存时钟频率是三者间最高（160MHz）；接口类型方面，Certus-N2支持DDR xSPI闪存接口，同时钟速率下，带宽是竞品所用QSPI的4倍；

此外，Nexus 2所用LUT4具备更好的面积效益，而竞品更大的结构造成了更多的配置数据；所以“更小的位流和更快的配置接口结合，启动时间具备显著优势”——具体如上图。

结合上述配置速度快、功耗低这两点，比如在网络边缘传感器监控这类系统层面的表现上，基于待机与工作状态之间的动态上下电切换，Certus-N2的功耗只相当于竞品的1/10。尤其因为Artix US+和Cyclone 10GX的配置速度慢了十多倍，故而单位时间内的工作与待机周期切换基本都耗费在了启动，且频率只能做到<3Hz，节电也就无从谈起。

除此之外还有三项对比值得一提（1）MIPI速率——如前所述Nexus 2将MIPI速率提升到了7.98Gbps，所以是竞品的3倍；（2）芯片封装尺寸——Certus-N2做到了11x9mm²，两款竞品的封装面积分别是其3.7倍和5.3倍，这和工艺、结构选择应该是有很大关系；

（3）TCO总拥有成本：单是因为配置位流大小的关系，选配闪存规格上，Nexus 2就已经具备优势。加上前文提到的Certus-N2的功耗和尺寸优势，节省PCB板和散热器，供电设计也明显更简单，系统BOM和开发成本就更低。还有维护成本方面，安全和可靠性设计，也显著降低了这方面的成本。

建议对Nexus 2平台感兴趣的读者去看一看这份白皮书。

Avant中端FPGA系列也有新拓展

除了本次Nexus 2新平台问世，这次开发者大会上莱迪思也针对Avant中端FPGA系列，新增了Avant 30和Avant 50，分别配备有300K逻辑单元和500K逻辑单元。此前Avant发布时，我们就撰文详述过Avant系列对于扩展莱迪思FPGA产品线的重要价值。

Avant平台有专为网络边缘优化的低功耗FPGA——Avant-E系列；通用FPGA——Avant-G系列；专注于互连的FPGA——Avant-X。本次更新的Avant 30和Avant 50同时面向三个系列。典型应用如边缘位置的“传感器融合与人工智能处理”，像是用于预测性维护、人机交互、对象识别、手势识别、存在与缺陷检测等。

“结合以前发布的700K容量产品，新产品扩充了中端FPGA容量的选择，为高级互连和网络边缘应用提供了新选择。”谢征帆表示目前Avant 30和Avant 50都已经给客户提供了样片。

在我们看来，无论是新发布的Nexus 2平台，还是Avant平台新增Avant 30和50不同逻辑资源选择，都旨在精准覆盖更多潜在应用与客户，以期扩大市场价值，达到未来4-6年内超过半导体和FPGA市场发展平均水平的目标。

如文首所述，这一市场扩展目标不单是FPGA硬件层面就可达成的，还需要配套软件工具和上层具体的解决方案——毕竟现在的芯片企业普遍都一边造着芯片，一边操着终端应用的心。

除了莱迪思的FPGA设计开发工具Propel和Radiant新版本，都已经支持新发布的FPGA产品之外，最上层分别面向边缘AI、安全、视觉、工业、ORAN、汽车等细分领域的支持自然也不会缺席。

开发者大会上期间，面向工厂自动化的Automate, 面向汽车的Drive, 面向嵌入式视觉的mVision，以及面向低功耗网络边缘AI的sensAI都分别发布了新版本。

边缘AI潜力大，持续看好工业和汽车市场

“无论数据中心、工业，还是汽车、客户端、通信市场，全球领先的OEM/ODM都在采用我们的产品方案。有些是（用客户的）自研算法做FPGA设计，有些直接用我们的soft IP加快产品开发速度。”据说目前莱迪思合作伙伴生态系统相比2018年扩展了6倍，从开发者大会每年规模扩大就看得出来。

莱迪思主要业务板块包括“通信与计算”，“工业与汽车”，“消费”。在“通信”市场增长放缓，于“计算”市场寻求“新利润增长点”，以及“消费”市场仍存在不确定性的当下，莱迪思眼中的市场驱动力主要集中在三点：网络边缘AI的“智能”、传感器到云端的“互连”，以及网络弹性的“安全”。前文提到所有更具体的应用，应当都是这三个方向的延伸。

媒体会上反复强调了网络边缘AI的重要性。对于边缘端的AI推理而言，“很多情况下传感器采集到的数据无法直接输入AI网络，需要预处理。这部分工作很多时候依赖FPGA完成。”“将数据预处理与AI推理集成到同一个芯片中，就能实现单芯片边缘AI方案。”

加上FPGA的可编程性，对于已经部署的神经网络算法，“未来开发阶段仍然可以做优化”，“无论是性能提升还是功能增强”。这是莱迪思看到网络边缘AI、网络边缘“可编程智能”的市场机会。

这种机会面向不同垂直领域时，都有预测性维护、人机交互、对象检测、手势检测等功能需求。比如具体到汽车和工业方面，“汽车上的DMS就是AI在汽车上的重要应用；工业方面的预测性维护也是，还有像是农产品分类等等。”

2023财年显示，莱迪思的“工业与汽车”业务占到其年度营收的近六成。所以谢征帆也在采访中提及中国国内的工业客户订单量去年和今年增长量大——是为莱迪思营收增长的“最大驱动力”和“基线；

汽车“也是客户数量增长较多的领域”——“以前我们每年大约提供2-3种新的汽车解决方案；而2024年，我们针对汽车应用预计推出5-6款不同的应用方案。”包括DMS（驾驶员监视系统）、OSD、抬头显示等智能座舱领域的解决方案。谢征帆说，“明年我们对汽车市场依然非常看好。”“长期来看，潜力最大的也是汽车市场。”

以网络边缘AI为关键依托，持续做大汽车与工业市场；同时不断拓展Nexus与Avant两大平台产品，完善面向客户的上层应用和解决方案。这大体上应该就是现阶段莱迪思对市场的态度和发展思路了。