真正非易失性FPGA的優(yōu)勢(shì)

并非所有非易失性或閃存 FPGA 器件都是一樣的。本文探討了真正的非易失性FPGA的優(yōu)勢(shì) - 包括顯著降低功耗、更快的響應(yīng)時(shí)間、無(wú)與倫比的可靠性和不折不扣的安全性 - 是無(wú)法復(fù)制的。

非易失性閃存為 FPGA 帶來(lái)了許多好處。真正的基于閃存的非易失性 FPGA 或包含非易失性 FPGA 陣列的 FPGA 可顯著降低功耗，提供更快的響應(yīng)時(shí)間，并提供無(wú)與倫比的可靠性和不折不扣的安全性。

為了驗(yàn)證這些優(yōu)勢(shì)相對(duì)于自己的易失性器件的優(yōu)勢(shì)，一些基于SRAM的FPGA供應(yīng)商聲稱提供“單芯片，基于閃存”的解決方案。這些“混合”解決方案僅僅是閃存組件與底層SRAM FPGA技術(shù)的組合 - 要么與FPGA芯片集成到單個(gè)封裝中，要么堆疊或并排放置。不幸的是，F(xiàn)PGA陣列仍然易失性，并且受到與這些類型的設(shè)備相關(guān)的功耗，可靠性，安全性和上電緩慢的缺點(diǎn)的影響。

當(dāng)然，封裝中硅（SIP）和多芯片封裝（MCP）的“混合”方法都克服了傳統(tǒng)SRAM解決方案的一些局限性，提供了更小的尺寸，略微降低了功耗，并在上電時(shí)間和安全性方面取得了小幅進(jìn)展。但這些只是對(duì)純基于SRAM的兄弟的漸進(jìn)式改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)真正的基于閃存的解決方案的全部?jī)?yōu)勢(shì)，我必須了解這些“混合”方法與真正的基于閃存的FPGA之間的主要區(qū)別，以及真正的基于閃存的解決方案提供的優(yōu)勢(shì)。

權(quán)力很重要

真正的基于閃存的非易失性FPGA陣列的最大好處也許是顯著降低了功耗。如前所述，混合解決方案只是將閃存和基于SRAM的FPGA芯片組合在一起，這意味著固有架構(gòu)仍然是基于SRAM的。因此，在與基于SRAM的FPGA解決方案相關(guān)的系統(tǒng)初始化期間，它們會(huì)受到有據(jù)可查的漏電流問題和功率尖峰的影響。

圖1顯示了真正的基于閃存的解決方案（當(dāng)今市場(chǎng)上功耗最低的可編程器件）相對(duì)于基于SRAM的解決方案的功耗優(yōu)勢(shì)。比較基于等效的 15k 系統(tǒng)門或 128 個(gè)宏單元。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手A是基于SRAM的混合CPLD，競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手B是基于SRAM的“低功耗”CPLD?；?5 微瓦的真正閃存 FPGA 的靜態(tài)功耗比同類產(chǎn)品低 10 倍。

圖1

真正的“通電直播”

真正的基于閃存的FPGA保留配置存儲(chǔ)器，而基于閃存的SRAM對(duì)應(yīng)物在電源關(guān)閉時(shí)必須依靠閃存進(jìn)行配置。因此，它們不僅消耗更多功率，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)“即時(shí)啟動(dòng)”上電 （LAPU） 狀態(tài)?！凹磿r(shí)啟動(dòng)”意味著一旦系統(tǒng)電壓達(dá)到其最低水平，設(shè)備就會(huì)運(yùn)行。與傳統(tǒng)的基于 SRAM 的 FPGA（圖 2）相比，混合解決方案的配置速度更快，盡管它們?nèi)匀槐日嬲幕陂W存的“即時(shí)啟動(dòng)”FPGA 相關(guān)解決方案慢 40 倍（圖 3）。此行為配置文件顯示，混合設(shè)備配置需要超過(guò) 200 毫秒，從而導(dǎo)致上電后操作延遲。同時(shí)，真正基于閃存的FPGA是上電時(shí)實(shí)時(shí)的。因此，真正的非易失性FPGA在電壓觸發(fā)后立即激活，并在上電前工作。

圖2

圖3

可靠性

混合型 FPGA 也存在可靠性問題。由于底層架構(gòu)仍然基于SRAM，因此這些解決方案會(huì)受到輻射影響。高能中子存在于地面大氣中，會(huì)影響基于 SRAM 的 FPGA 的邏輯模塊和路由矩陣，從而導(dǎo)致公司錯(cuò)誤和完整的系統(tǒng)故障。真正的非易失性FPGA為系統(tǒng)關(guān)鍵型和任務(wù)關(guān)鍵型功能提供關(guān)鍵的抗錯(cuò)能力。

防止惡意攻擊和黑客攻擊

雖然通過(guò)將閃存移動(dòng)到同一封裝中可以減輕安全威脅，但將配置數(shù)據(jù)從閃存?zhèn)鬏數(shù)交旌显O(shè)備的SRAM部分仍然使數(shù)據(jù)流容易受到黑客攻擊和惡意攻擊。相比之下，真正的基于閃存的FPGA不需要在上電時(shí)重新配置，從而消除了嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。憑借 128 位高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) （AES） 解密內(nèi)核等額外安全性，真閃存 FPGA 讓 IP 提供商高枕無(wú)憂，并幫助設(shè)計(jì)人員防范克隆、逆向工程和拒絕服務(wù)攻擊等安全問題。

模仿不等于復(fù)制

顯然，并非所有“非易失性”或“閃存”FPGA器件都是平等的。一些標(biāo)記為“閃存”的器件只是將閃存與基于SRAM的FPGA集成在一起，以最大限度地減少占用空間。真正基于閃存的 FPGA 是那些包含非易失性 FPGA 陣列的 FPGA，可顯著降低功耗，縮短響應(yīng)時(shí)間，并提供無(wú)與倫比的可靠性和不折不扣的安全性。真正的閃存FPGA解決方案的優(yōu)點(diǎn)可以模仿，但不能復(fù)制。

審核編輯：郭婷