作者/Ted Marena 美高森美公司SoC/FPGA产品总监
以太网衔接的日益遍及和不断添加的降本钱压力，是不行阻挠的两大网络趋势。因为网络和物联网(IoT)不断扩张，使得以太网端口的功用继续添加，而且运用于更广泛的各种产品。网络运营商面对两个巨大压力，首先是要大幅下降本钱开销(CAPEX/OPEX)，一起要供给更快功用以支撑顾客运用，如4 K视频和无处不在的云衔接。为了协助架构师满意这些商场需求，咱们需求从头界说中端密度FPGA特性：低本钱、低功耗，而且可以满意通讯运用中以太网互联的功用要求。
这些新商场向规划以太网通讯设备的供货商提出了严重的应战。以太网的严重优势在于1 Gbps至10 Gbps线速率，而人们正在规划丰厚的接入和网关设备，然后在网络边际供给额定的核算才能。为了以更低本钱供给这些解决方案，咱们需求从全体体系的视点来考虑这个运用。为了下降本钱，可以选用功耗更低的解决方案，然后撤销电扇或散热片;或许不选用专用桥接产品，转而在SFP外形尺度中施行这种功用，然后减缩PCB规范和整体外形尺度。这些解决方案需求具有适宜的以太网衔接性、更低功耗，以及选用本钱优化的小封装产品。现在，体系架构师具有的解决方案可以协助他们在更小外形尺度中供给更节能的以太网接口，所有这些都需求本钱优化、灵敏的FPGA。
1低本钱要求市侩通讯模块占用空间
更低归纳本钱的需求正引领开发人员大幅削减通讯产品占用的空间，而FPGA一般是以太网运用的要害规划部件。今日，商场上呈现了一种优化的中密度FPGA产品，可以供给适宜的接口功用，并坚持了最低功耗和最小尺度。许多现有的低密度FPGA具有小封装，但接口功用缺乏(如不支撑10 Gbps收发器)，而大多数中密度FPGA的封装尺度又偏大，且功耗颇高。而新的需求是更小物理封装中有必要包含的要害特征包含10 Gbps收发器、很多嵌入式存储器、很多3.3 V I/O管脚，以及支撑更新的存储器规范。具有这些才能、具有功耗优化架构的中阶密度FPGA是行将到来的小型化解决方案的要害完成要素。
图1 小尺度、低功耗、中阶密度且支撑10 Gbps以太网的FPGA
明显光模块或SFP类模块有清晰的小尺度要求。许多以太网通讯产品都有SFP或相似的槽位以供给收发器接口，一般以1 Gbps至10 Gbps速率运转。可以在这些模块中施行各种功用的产品具有体系级的灵敏性，并将供给更低本钱的解决方案。例如，支撑10 Gbps以太网的网关不一定需求同步网络守时，如SyncE或IEEE 1588。假如这类产品供给了SFP槽位，则可以运用特别规划而且支撑SyncE的SFP来完成同步网络守时，此举使得整个网关产品规划时不再需求考虑SyncE功用，为不需求此功用的客户下降了总本钱，而需求SyncE网络守时的用户，只需简略地刺进支撑SyncE功用的SFP模块。尽管许多小封装的低端FPGA可满意这种运用的尺度要求，可是，低端FPGA无法供给必要的逻辑资源和功用。而典型的中阶FPGA支撑10 Gbps以太网，但其高功耗和大尺度却又不适用于SFP模块。PolarFire FPGA系列在仅11 mm宽的封装中可供给两种密度。这些器材针对本钱和低功耗进行了优化，而且具有高达10 Gbps以太网接口才能。
高效能千兆以太网接口正推进体系架构发生变化。许多通讯产品开发商正在日益增多衔接中选用的千兆位以太网。这些衔接不再只是用于传输数据负载，而是遍及用于传输操控、办理、状况信号等。一般这些添加的千兆以太网接口将经过会聚或复用成10 G以太网。传统的中阶FPGA可以支撑这些1 Gbps至10 Gbps的速率，但需求串行收发器来施行1 G SGMII接口和10 G10 BASE-R或10 BASE-KR。而更抱负的器材是可以用通用的I/O管脚来支撑SGMII，如图2所示。
图2 在GPIO中施行SGMII的FPGA
传统中阶FPGA并不具有这种特征，因而，有必要运用串行收发器。除非运用十分贵重的更高密度FPGA，不然这些串行收发器接口一般数量较少，而显得特别名贵。规划人员一般并不需求十分多的FPGA逻辑资源，可是，因为他们需求额定的串行收发器，因而被逼挑选这类贵重大器材。此外，这些大器材要求选用更大的封装尺度。这些现有解决方案添加了功耗和本钱，与OPEX需求相悖。
2新式PolarFire FPGA供给功耗优化的中阶密度
新式PolarFire FPGA供给功耗优化的中阶密度，应对很多GigE和10 GigE衔接的要求。该系列从100 K LE至500 K LE，具有8至24个12.7 Gbps收发器，支撑1 Gbps至10Gbps以太网。PolarFire FPGA异乎寻常的长处是在1.25 Gbps的高速LVDS I/O内集成了时钟和数据康复(CDR)电路，使器材可以在一些特定的GPIO引脚上支撑SGMII接口。现在，在千兆和万兆以太网混合运用中运用Polarfire，可以灵敏地挑选运用收发器或具有CDR的GPIO引脚来支撑这些接口，如表1所示。
表1 GPIO中带有CDR的PolarFire FPGA系列
这样工程师就不用再为了添加串行收发器而挑选封装更大的器材。PolarFire FPGA使他们可以挑选更小的封装。这些GPIO CDR的功耗也比收发器低，下降了多个GigE衔接运用的总功耗，有利于下降CAPEX/OPEX。
在通讯运用中下降功耗的需求日益火急。在功耗预算中，FPGA一般占了不小的比重。FPGA功耗的两个决定要素是静态功耗和串行收发器功耗。PolarFire FPGA在这两方面都十分超卓。在SRAM FPGA中，静态功耗达总功耗的一半。这是因为这些器材现已运用很高档的生产工艺，晶体管尺度的变小也使得静态功耗成为总功耗的首要组成。相反，PolarFire FPGA运用的是FLASH工艺，使得其静态功耗大约只是相当于SRAM器材的1/10。别的功耗占比较大的是串行收发器。关于中阶密度SRAM FPGA来说，一般每个10 Gbps接口功耗为160 mW至200 mW。PolarFire FPGA的相同功用一般仅耗费90 mW。此外，PolarFire还可以在GPIO中完成SGMII。当选用这种接口时，每个1 Gbps接口的功耗一般小于30 mW。因为静态功耗最低，且具有最节能的1 Gbps和10 Gbps以太网接口，因而，与相似中阶密度SRAM FPGA比较，PolarFire FPGA的总功耗下降起伏高达50%。
3定论
以太网通讯新需求推进工程师寻觅新的解决方案。现在，中阶密度FPGA可以很好地应对1 Gbps 和10 Gbps以太网运用中。不论这些运用是接入网、SFP、网关、路由器或其它设备，规划人员都不再为了应对必需的要求而被逼献身本钱和功率功率。PolarFire中端FPGA的低功耗、小尺度，并具有优化的以太网接口，这个特功用够满意以太网通讯商场的新需求。
