SmartFusion2：不一样的FPGA SoC

我们最熟悉的FPGA厂商是赛灵思（Xilinx）和FPGA。美高森美（Microsemi）是一家生产不一样FPGA的公司。2010年Microsemi收购Actel被认为是当年最明智的收购案，从此Microsemi拥有了SmartFusion系列产品(FPGA+MCU+模拟功能)。

近日，Microsemi推出了下一代SmartFusion2 SoC FPGA。该公司SoC产品部门副总裁兼总经理Esam Elashmawi、中国区销售经理夏明威和地区技术经理兼SoC专家戴梦麟专程来到北京向媒体介绍了新产品的情况。

SmartFusion2的特性

首先，与其他厂商的FPGA不同，Microsemi采用Flash技术而不是SRAM，这是Microsemi产品的根本特性。SmartFusion2在单一芯片上集成了固有可靠性的快闪FPGA架构、一个166(MHz)ARM Cortex-M3处理器、先进的安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和业界所需的高性能通讯接口。SmartFusion2的主要特点、较上一代SmartFusion的改进如下图所示。


图1：SmartFusion2的主要特性

与业内其他产品相比，SmartFusion2有三个突出优点：安全性、可靠性和低功耗。

设计和数据安全性

近期针对工业、国防、航空、通讯和医疗系统的攻击事件，突显了对电子系统内的安全性和防篡改防护措施的需求。SmartFusion2包含突破性的安全能力，采用了基于非易失性快闪技术的最先进设计保护功能，易于保护机密和高价值的设计，防止篡改、克隆、过度建造、反向工程和伪造。

SmartFusion2提供了最先进的设计和数据安全能力，它使用SoC FPGA业界唯一具备物理上不可克隆功能(physically unclonable function，PUF)的密匙登记和重建能力，打造具有安全密匙存储能力的根源可靠性(root-of-trust)设备。SmartFusion2也是唯一使用Cryptographic Research Incorporated (CRI)产品组合技术来防御差分功率分析(differential power analysis，DPA)攻击的SoC FPGA器件。用户还可以利用多个内置的加密处理加速器，包括：先进加密标准(advanced encryption standard，AES) AES-256、安全散列算法(secure hash algorithm，SHA) SHA-256、384位椭圆曲线密码(elliptical curve cryptographic，ECC)引擎，以及不确定性随机位发生器(non-deterministic random bit generator，NRBG)。

借助这些特性组合，以及基于快闪的架构，SmartFusion2成为市场上最安全的FPGA器件。

高可靠性

美高森美的可编程逻辑解决方案广泛用于国防和航空应用，因为它们具备高可靠性和单事件翻转(single event upset，SEU)免疫能力。SEU可以引起二进位代码状态改变并损坏数据，导致硬件故障。SEU防御需求也开始扩展到工业和医疗应用领域。

SmartFusion2器件设计用于满足众多行业标准的要求，包括IEC 61508、DO254和DO178B，并且具有达到零故障率(failures in time, FIT)的SEU免疫能力。作为一项附加优势，SmartFusion2快闪FPGA架构无需外部配置来提供额外的安全防护水平，因为在电源关闭时，这款SoC FPGA能够保留其配置，并实现“瞬间启动”(instant-on)性能。

SmartFusion2是唯一能够保护其所有的SoC嵌入式SRAM存储器避免SEU错误的SoC FPGA器件。这是通过在Cortex-M3嵌入式暂时存储器(scratch pad memory) 等嵌入式存储器、以太网、控制器局域网(CAN)和USB缓冲器上，使用单错校正、双错检测(single error correction, double error detection，SECDED)保护功能来完成的，并且提供用于DDR内存控制器的选项。

这些产品特性，以及基于快闪的器件架构，使得SmartFusion2成为用于需要防止破坏性SEU事件发生的航空环境等严苛应用的理想解决方案。

据Elashmawi先生介绍，欧洲空中客车公司采用了大量的Microsemi器件，每架A380大型客机上就有超过1000个Microsemi的FPGA。SmartFusion2虽广泛用于军工，但该器件本身并不在美国政府禁止出口之列，中国的民用飞机制造商也可以购买。


图2：每架空客A380上有一千多个Microsemi的FPGA

低功耗

SmartFusion2 SoC FPGA为设计人员提供了比同等的SRAM FPGA器件低100倍的待机功耗，且不影响性能。设计人员可以通过简单的命令来启用Flash*Freeze待机功耗模式。在此模式中，可以保持所有寄存器和SRAM的状态、设置I/O状态、以低频率时钟运行微处理器子系统(microprocessor sub-system，MSS) 与MSS外设相关的I/O。SmartFusion2 SoC FPGA器件能够在大约100μs内进入和退出Flash*Freeze模式，适用于需要短暂间歇活动的低占空比应用，比如尺寸、重量和功率都至关重要的防御无线电应用。 在Flash*Freeze超低功耗模式下，SmartFusion2的功率可低至1mW。

下图显示了SmartFusion2与其他厂商FPGA产品的功耗对比。


图3：SmartFusion2与竞争产品的功耗对比

客户现在可以开始使用SmartFusion2 M2S050T工程样品进行设计，美高森美将于2013年初推出首批生产硅器件。SmartFusion2系列的型号和参数特性如下图所示。


图4：SmartFusion2系列的型号和参数特性