Microsemi公司的PolarFire FPGA系列具有最低功耗最佳成本的中等规模的FPGA,逻辑单元(LE)从100K到500K,12.7G 收发器, 1.6 Gbps I/O,比同类产品的功耗低50%以上.主要用在物联网(IoT),工业自动化,通信设备,有线接入网,蜂窝基础设备,国防和航空通信领域.本文介绍了PolarFire FPGA系列主要特性,低功耗特性,可靠性和安全特性,框图,以及评估板MPF300-EVAL-KIT-ES主要特性,框图和电路图.

PolarFire™ FPGAs are the fifth-generation family of non-volatile FPGA devices from Microsemi, built on state-of-the-art 28nm non-volatile process technology. Cost-optimized PolarFire FPGAs deliver the lowest power at mid-range densities. PolarFire FPGAs lower the cost of mid-range FPGAs by integrating the industry’s lowest power FPGA fabric, lowest power 12.7 Gbps transceiver lane, built-in low power dual PCI Express Gen2 (EP/RP), and, on select data security (S) devices, an integrated low-power crypto co-processor. PolarFire FPGAs can operate at 1.0 V and 1.05 V, offering the end user the ability to trade off power and performance to match the application requirements.

Microsemi's lowest power, cost-optimized mid-range PolarFire FPGA engineering samples are now available for all customers. The PolarFire FPGA family spans from 100K logic elements (LEs) to 500K LEs, features 12.7G transceivers, and offers up to 50% lower power than competing mid-range FPGAs. The devices are ideal for a wide range of applications within wireline access networks and cellular infrastructure, defense and commercial aviation markets, as well as industrial automation and IoT markets.

Cost-optimized Architecture

Architecture and process optimizations for 100K/500K LE devices

Transceiver performance optimized for 12.7 Gbps, which yields smaller size

1.6 Gbps I/Os—hardened I/O gearing logic with CDR (supports SGMII/GbE links on these GPIOs)

Best-in-class high-performance, hardened security IP in mid-range devices

Power Optimization

The lowest static power—1/10 static power vs. competing devices

Transceiver optimized for 12.7 Gbps, which yields 1/2 the power vs. competing devices

Low power Flash*Freeze mode yields best-in-class standby power

Integrated hard IP—DDR PHY, PCIe endpoint/root port, crypto processor

Total power (static and dynamic)—up to 50% lower power

PolarFire FPGAs deliver up to 500K logic elements, 12.7G transceivers at 50% lower power.

PolarFire FPGA系列主要特性:

Up to 481K logic elements consisting of a 4-input look-up table (LUT) with a fractureable D-type flipflop

20 Kb dual- or two-port large static random access memory (LSRAM) block with a built-in single error

correct double error detect (SECDED)

64 × 12 two-port μRAM block implemented as an array of latches

18 × 18 math block with a pre-adder, a 48-bit accumulator, and an optional 16 deep x 18 coefficient ROM

Built-in μPROM, modifiable at program time, readable at run time for user data storage

High-speed serial connectivity with built-in multi-gigabit multi-protocol transceivers from 250 Mbps

to 12.7 Gbps

Integrated dual PCIe for up to ×4 Gen2 endpoint (EP) and root port (RP) designs

High-speed I/O (HSIO) supporting up to 1600 Mbps DDR4, 1333 Mbps DDR3L, and 1333 Mbps

LPDDR3/DDR3 memories with integrated I/O digital

General purpose I/O (GPIO) supporting 3.3 V, built-in CDR for serial gigabit Ethernet, 1067 Mbps

DDR3, and 1600 Mbps LVDS I/O speed with integrated I/O digital logic

Low-power phase-locked loops (PLLs) and delay-locked loops (DLLs) for high precision and low-jitter

1.0 V and 1.05 V operating modes

PolarFire FPGA系列低功耗特性:

Low device static power

Low inrush current

Low power transceivers

Unique Flash*Freeze (F*F) mode

PolarFire FPGA系列可靠性特性:

FPGA configuration cells single event upset (SEU) immune

Built-in SECDED and memory interleaving on LSRAMs

System controller suspend mode for safety-critical designs

PolarFire FPGA系列安全特性:

Cryptography Research Incorporated (CRI)-patented differential power analysis (DPA) bitstream

protection

Integrated physically unclonable function (PUF)

56 KBytes of secure non-volatile memory (sNVM)

Built-in tamper detectors and countermeasures

Digest integrity check for FPGA, μPROM, and sNVM

Data security features in S devices—true random number generator, integrated Athena TeraFire

EXP5200B Crypto Coprocessor, suite B capable, and CRI DPA countermeasure pass-through license

图1. PolarFire FPGA框图

PolarFire FPGA评估板MPF300-EVAL-KIT-ES

Microsemi’s PolarFire Evaluation Kit is an ideal platform for evaluating the lowest power, cost-optimized, non-volatile PolarFire FPGAs. This kit has a full-featured 300K LE PolarFire FPGA, which integrates reliable non-volatile FPGA fabric, 12.7 Gbps transceivers, 1.6 Gbps I/Os, best-in-class-performance, hardened security IP, and crypto processors. The silicon features power optimization with the lowest static power for 28 nm non-volatile FPGAs, its low power mode; Flash*Freeze yields best-in-class standby power and it has integrated DDR PHY, PCIe endpoint/root port, crypto processor hard IPs.

评估板MPF300-EVAL-KIT-ES主要特性:

300K LE PolarFire FPGA in an FCG1152 package (MPF300TS-1FCG1152I)

HPC FMC connector

1x SFP+ cage

IEEE1588 phase-locked loop (PLL)

SMA connectors for testing of full-duplex 12.7Gbps SerDes channel

4GB DDR4 x32 and 2GB DDR3 x16

PCI Express (x4) edge connector

2 x RJ45 for 10/100/1000 Ethernet using serial gigabit media-independent interface (SGMII) on general purpose input/output (GPIO)

Dual 10/100/1,000 BASE-T PHY (VSC8575) for SyncE and 1588 application

Power management unit for 1 or 1.05 volt (V) PolarFire FPGA core voltage

USB to universal asynchronous receiver/transmitter (UART) interface

Embedded programming and debugging using serial peripheral interface (SPI) and Joint Test Action Group (JTAG)

On-board power monitoring

2 x 1Gb SPI flash memory

图2. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES外形图

图3. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES框图

图4. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(1)

图5. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(2)

图6. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(3)

图7. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(4)

图8. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(5)

图9. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(6)

图10. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(7)

图11. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(8)

图12. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(9)

图13. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(10)

图14. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(11)

图15. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(12)

图16. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(13)

图17. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(14)

图18. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(15)

图19. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(16)

图20. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(17)

图21. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(18)

图22. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(19)

图23. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(20)

图24. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(21)

图25. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(22)

图26. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(23)

图27. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(24)

图28. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(25)

图29. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(26)

图30. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(27)

图31. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(28)

图32. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(29)

图33. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(30)

图34. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(31)

图35. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(32)

图36. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(33)

图37. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(34)

图38. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(35)

图39. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(36)

图40. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(37)

图41. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(38)

图42. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(39)

图43. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(40)

图44. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(41)

图45. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(42)

图46. 评估板MPF300-EVAL-KIT-ES电路图(43)

Microsemi公司介绍

Microsemi Corporation总部设于加利福尼亚州尔湾市，是一家领先的高性能模拟和混合信号集成电路及高可靠性半导体设计商、制造商和营销商。Microsemi公司的半导体产品可用于管理和控制或调节电源，保护瞬时电压峰值，并传输、接收和放大信号。

公司产品

Microsemi的产品包括独立元器件和集成电路解决方案等，可通过改善性能和可靠性、优化电池、减小尺寸和保护电路而增强客户的设计能力。Microsemi公司所服务的主要市场包括植入式医疗机构、防御/航空和卫星、笔记本电脑、监视器和液晶电视、汽车和移动通信等应用领域。

【相关信息】美高森美提供全新成本优化PolarFire™ 现场可编程逻辑器件产品系列

致力于在功耗、安全、可靠性和性能方面提供差异化半导体技术方案的领先供应商美高森美公司宣布提供全新成本优化PolarFire™ 现场可编程逻辑器件(FPGA) 产品系列，在中等密度范围FPGA器件中具备了业界最低功耗、 12.7 Gbps串化/解串 (SerDes)收发器，以及领先的安全性和可靠性。该 FPGA产品系列适合广泛的应用范围，涵盖有线 接入 网络和 蜂窝基础设施、国防 和 商用航空 市场，以及包括工业 自动化和物联网 (IoT)市场的工业 4.0应用。

“我们新的FPGA产品系列改变了市场对于传统中等规模FPGA器件的认知。”美高森美副总裁兼业务部经理Bruce Weyer表示：“非易失性FPGA器件首次具备了全部已知好处，其明确的功耗和成本优势超越了带有10 Gpbs收发器的SRAM FPGA器件，从而提供了必要的差异性，在满足客户不断变化的需求的同时填补了市场空白。”

通过PolarFire FPGA器件，美高森美公司FPGA器件潜在市场扩大至超过25亿美元的规模，同时涵盖低端和中阶FPGA市场区间，此外，新产品系列的创新特性支持美高森美在通信基础设施市场实现持续增长。

现今的蜂窝基础设施和有线接入网络正在面对快速转型，一方面必须为客户提供兆兆字节 (terabytes) 的高价值内容，同时降低运营和资产支出花费，以及减少其热消耗和碳排放。美高森美的PolarFire FPGA器件提供最低功耗的10Gbps端口，为日益增多的聚合业务提供了高成本效益的带宽处理能力。全新FPGA系列还可以应对市场日益增多的现实网络安全威胁问题，以及基于深亚微米SRAM的FPGA器件的配置内存所面临的单事件翻转(SEU)相关的可靠性问题。

新器件适合多个通信市场应用领域，包括有线接入、网络边缘、城域 (1至40G);无线异构网络、无线回程、智能光学模块和视频广播。这些器件也非常适合国防和航空航天市场应用，比如加密和信任根、安全无线通信、雷达和电子战(EW)、飞机网络、推进和控制。PolarFire FPGA器件适合的工业市场应用包括流程控制和自动化、机器视觉处理和分析、可编程逻辑控制器、工业网络，以及视频和图像处理。

“PolarFire FPGA器件可让客户毋须购买具有较高功率且成本较高的FPGA器件来获得许多中等带宽应用所需的12.7G收发器性能，同时扩大了公司超低功耗、高可靠性和高安全性产品优势。”美高森美SoC产品部营销总监Shakeel Peera表示：“通过结合高成本效益PolarFire FPGA和美高森美广泛的专用标准产品(ASSP)组合，可以实现定时、语音处理、存储、光传输网络 (OTN)交换和运输领域的端至端解决方案，以及多个市场领域的功率管理。”

美高森美通过早期使用计划 (Early Access Program) 与精选客户密切合作，已经有项目开始采用PolarFire产品系列。

“除了开发先进的视频压缩、通信、测试和测量、网络和消费产品之外，A2e Technologies还为美高森美客户群提供相关的知识产权(IP)和设计服务。”A2e Technologies首席技术官Allen Vexler表示：“美高森美提供的FPGA具有高的信号处理性能和输入/输出(I/O)特性，及很低的功率消耗，这预期改变了我们开发用于监控、无人机和DVR等流媒体视频产品的思路，它开辟了一系列全新的可能性。”

主要特性和优势

通过与Silicon Creations合作，美高森美研制出了全面优化的12.7 Gbps收发器，尺寸小并且低功耗，从而将10 Gbps的总体功耗降低至90 mW以下。PolarFire器件具有同级最低的静态功耗， 例如100K逻辑单元(LE)器件为25mW;零浪涌电流;独特的Flash*Freeze模式，在25度下 130 mW的待机功耗为同级最佳。对于相同的应用，其总功耗比竞争性FPGA器件降低多达50%。

美高森美还为客户提供分析功耗的功率估算器。在实施方案之后，客户还可以使用SmartPower Analyzer分析整个设计的功耗。

这个FPGA系列还具备配置单元的SEU先天免疫能力，提供业界最佳可靠性 。其它增强可靠性的特性包括：内置单错校正和双错检测(SECDED)、大型静态随机存取存储器(LSRAM)的交叉存取，以及针对安全关键性设计的系统控制器暂停模式。

通过充分利用美高森美在 安全性方面的专有技术，PolarFire FPGA器件提供具有Cryptography Research Incorporated (CRI) 专利的差分功率分析 (DPA) 位流保护功能、集成了物理不可克隆功能(PUF)、安全的56 KB嵌入式非易失性存储器(eNVM)、内置篡改检测器和对策、真正的随机数发生器、集成了Athena TeraFire EXP5200B Crypto协处理器(Suite B功能)，以及 CRI的DPA应对策略的授权许可。

PolarFire器件的成本优化架构使用28纳米工艺，在标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)上使用了Silicon-Oxide-NItride-Oxide-Silicon (SONOS)非易失性工艺技术。该器件系列还集成了针对12.7 Gbps性能优化的收发器，具有较小尺寸和最低功耗，集成式I/O速率变换逻辑支持双数据速率(DDR)内存和低电压差分信号(LVDS)，高性能安全类IP ，以及业界唯一在低成本中等密度范围FPGA器件上具有时钟和数据恢复(CDR)功能的1.6 Gbps I/O。

软件和 IP

美高森美 Libero SoC 设计套件 提供了全面并且易于学习使用和采纳的开发工具，用于其成本优化PolarFire FPGA器件的设计，提高了生产率。这款套件包含完整的设计流程，包括Synopsys Synplify Pro 综合和Mentor Graphics ModelSim Pro 混合语言仿真，带有同级最佳约束管理，以及美高森美差异化的调试套件SmartDebug。1G 以太网、10G 以太网、JESD204B、DDR 内存接口、AXI4 互联IP以及其它流行IP已经可以在PolarFire器件上部署。

PolarFire器件其它主要特性

内置支持数千兆位以及多种协议的收发器，提供从250 Mbps至12.7 Gbps的高速串行连接功能

最多481K逻辑单元，逻辑单元由四输入查找表(LUT) 和可拆分的D类触发器组成。

最高 33 MB RAM

最高1480 个18 x 18 乘法累加模块，集成预加器。

集成双PCIe硬核，用于最高x4的Gen2终端 (EP) 和根端口(RP) 模式

高速 I/O (HSIO) 支持高达1600 Mbps DDR4、1333 Mbps DDR3L和 1333 Mbps LPDDR3/DDR3 存储器，带有集成式 I/O 速率变换器

通用 I/O (GPIO) 支3.3 V、内置用于串行千兆以太网 (SGMII)的时钟和数据恢复 (CDR)功能， 集成式I/O速率变换逻辑支持1067 Mbps DDR3 和 1600 Mbps 低电压差分信号(LVDS) 。

产品供货

美高森美现在为早期客户提供PolarFire FPGA产品系列，并将于2017年第二季为市场全面提供样品。样品现已可以立即订购。