Titanium FPGA

演算処理にさらなる高速化を

センサー・アグリゲーション
エッジ・アプリケーション
シングル・イベント・アップセット (SEU)
セキュリティ

センサー・アグリゲーション向けの Titanium FPGA

最近では、カメラやセンサーを搭載した製品が増え、豊富なデータが収集されるようになりました。これらのデータをどのように集約し、処理するのでしょうか?強力な演算能力を持ち、MIPI CSI と DSI をサポートし、小型のパッケージを持つ Titanium FPGA がそれを手助けします。Titanium FPGA は、IoT、サーモグラフィ、産業用カメラ、ロボティクス、スマートデバイスなど、さまざまなカメラやセンサーシステムに最適なソリューションです。

センサー・アグリゲーション システム

Sensor Aggregation System

Titanium の高速 I/O (HSIO) ピンは、数多くのシングルエンドおよび差動 I/O 規格に対応しています。通常の GPIO または LVDS ペアとして使用できます。また、最大1.5 Gbps の MIPI RX/TX レーンとしても使用できます。これらの HSIO ピンは、ユーザーが自由に設定できるため、システムのニーズに合わせて組み合わせることができます。HSIO ピンは、MIPI CSI-2 プロトコルを使用して、カメラやセンサーからデータを収集し、アプリケーションプロセッサに送信したり、DSI プロトコルを使用して、画像をディスプレイに送ることもできます。Efinity® ソフトウェアには、D-PHY、CSI-2、DSIの IP コアが含まれており、MIPI ベースのシステムをより簡単に設計することができます。

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Ti60 F100: ビジョン製品へ

エッジ・アプリケーション向けの小型パッケージ

マシンビジョン、ドローン、ロボット、自動車、監視カメラなどのモバイル機器やその影響を受ける機器では、動画がいたるところに存在しています。革新的なアプリケーションをサポートするためには、カメラやセンサーから映像を取り込み、エンドプロセッサーやモニターに送るだけでなく、それ以上のことができる設計が必要です。映像は、中央のデータバンクや処理システムに送られる前に、ソース側で操作し、解釈、または分析される必要があります。

Titanium FPGA には、小型パッケージが用意されているため、エッジ・システムに簡単に処理能力を追加することができます。3.5 x 3.4 mm の 64 ボール ウエハレベル CSP パッケージは、センサーやカメラのすぐ隣に設置できるほど小さく、非常に低消費電力なので、電力要件に影響しません。1~2個のカメラやセンサーからデータを集約し、処理したデータを1~2系統のディスプレイやアプリケーションプロセッサーに送ることができます。

また、Ti60 には、0.5 mm ボールピッチ、5.5 mm 角の小型パッケージに、HyperRAM と SPI フラッシュを統合した 100 ボールのパッケージが用意されています。最大 3 つのカメラやセンサーからデータを取得し、HyperRAM を画像のフレームバッファ、AI の重みやバイアスの格納、TOF (タイム・オブ・フライト) センサーのパラメータの格納、RISC-V SoC のファームウェアの格納などに使用することができます。

完全なカメラシステム

Complete Camera System

SEU への対応

SEUは、(バックグラウンド) 放射線などの環境要因により発生し、デジタル回路の誤動作の原因となります。FPGA の場合、SEU における最も頻度の高い (心配な) 状況は、CRAM ビットがプログラムされた値から変更されることです。ユーザデザインでは、FPGA のすべての CRAM ビットが使用されるわけではないので、SEU によって FPGA が誤動作することもあれば、しないこともあります。しかし、多くの状況では、再コンフィギュレーションされるまで CRAM ビットが破損していると考えるのが妥当です。

SEU 検出が必要なシステム

システムの中には、遠隔地に配置された無線通信システムや重要な産業用アプリケーションのように、稼働時間要件、エラー許容範囲が厳しいケースがあります。システムは、SEU 発生時に FPGA を時折あるいはランダムに再コンフィギュレーションし、最小限のダウンタイムで動作を継続できるように設計することができます。例えば、SEU の発生数を監視し、必要な場合にのみ再コンフィギュレーションを実行することができます。

SEU 検出回路

SEU Detection Circuitry

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Titanium SEU 検出機能 (英語)

Titanium インターフェイス ユーザガイド (英語) (Chapter 2: Device Settings)

ビットストリームのセキュリティ

FPGA は構造上、様々なデザインを実行するために再コンフィギュレーションすることができます。しかし、無防備な状態では、悪意のあるユーザが FPGA を改造して、望ましくない機能を実行させる可能性があります。このような攻撃から安全に守るためには、FPGA に改ざん防止機能を持たせる必要がある。このような不正行為を防止するには、コンフィギュレーション ビットストリームを認証し 、正しいビットストリーム ファイルのみを FPGA で使用できるようにする方法があります。また、潜在的な問題として、知的財産 (IP) の盗用があります。苦労してハードウェア製品を開発したのに、FPGA 機能をリバースエンジニアリングされ、競合製品へ盗用されることは一番避けたいことです。IP を保護するためには、FPGA がビットストリーム暗号化をサポートする必要があります。Titanium FPGA には、アプリケーションの安全性を確保するため、認証と暗号化のセキュリティ機能が組み込まれています。ビットストリームを保護するために、どちらか一方、または両方を使用することができます。

認証

Titanium FPGA は、RSA-4096 アルゴリズムによる非対称ビットストリーム認証をサポートしています。公開鍵と秘密鍵のペアを作成し、秘密鍵でビットストリームに署名を付与します。その後、公開鍵データを FPGA 内のヒューズに保存します。コンフィギュレーション時に、FPGA は公開鍵を使用してビットストリームの署名を検証します。

Titanium Bitstream Authentication Flow

暗号化

知的財産 (IP) の安全性を確保するため、Titanium FPGA では 256 ビットの鍵と AES-GCM-256 アルゴリズムを用いた対称型暗号化を採用しています。鍵を生成し、その鍵でビットストリームを暗号化します。その後、FPGA 内のヒューズに鍵を保存します。コンフィギュレーション中、FPGA は保存された鍵を使用してビットストリームを復号化します。ファイルから鍵を抽出することはできないため、悪意のあるユーザがビットストリームを解読 (復号化) することはできません。

Titanium Bitstream Encryption Flow

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Titanium セキュリティ ソリューション (英文)

Efinity ソフトウェア ユーザガイド (英文) (Chapter 9: Configuring an FPGA > Securing Titanium Bitstreams)

Titanium FPGA 製品概要

できるだけ多くの演算能力を数 mm2 の中に詰め込むことが要求されています。エフィニックス (Efinix) の次世代 Titanium FPGA がそれを可能にします。Titanium FPGA は、16 nm プロセスで製造され、消費電力とダイサイズを極限まで小さくし、高性能化を実現しています。演算性能が強化された革新的な Quantum™ コンピューティング・ファブリックによる Titanium FPGA は組み込みハードウェア・アクセラレーション等のアプリケーションに最適です。3.5万 ~ 100万ロジック・エレメント (LE) をサポートし、エフィニックス RISC-V SoC との互換性により、アクセラレーション機能を用いる組み込み演算システムを非常に小さなチップの中に実装することができます。

Quantum コンピューティング・ファブリックは、コンフィギュラブルなタイル、XLR (eXchangeable Logic and Routing) セルで構成されており、高い使用効率を実現しながら、配線効率と速度を最適化します。また、様々な構成で使用可能な 10K 内蔵メモリブロックと専用の高速 DSP ブロックも搭載されているので、エッジ・コンピューティングから産業用オートメーション、ビデオ処理まで、幅広いアプリケーションに最適なパフォーマンスを提供します。

16 nm プロセスノードを採用した Titanium FPGA は、低消費電力で小さなフットプリントを実現し、高集積アプリケーションに最適な製品です。

Titanium FPGA ブロック図

Titanium FPGA Block Diagram

演算処理への対応

Titanium FPGA は、3.5 万から 100 万ロジック・エレメントの集積度で提供され、幅広いアプリケーションをサポートします:

Ti35、Ti60

低消費電力、小型パッケージ、多数の I/O を必要とする高度なモバイル、エッジデバイスなどのアプリケーション向け

  • モバイル
  • エッジ
  • AI IoT
  • センサーフュージョン

Ti90、Ti120、Ti180

2.5 Gbps MIPI インターフェイスを内蔵し、マルチカメラ、高精細ビジョンシステム、エッジ・コンピューティング、ハード・アクセラレーションなどのアプリケーション向け

  • ビジョン システム
  • エッジ・コンピューティング
  • ハード・アクセラレーション
  • 機械学習

Ti240、Ti375、Ti550

高度な演算、ロジック処理と産業用オートメーションなどに要求される演算能力とトランシーバインターフェイスを兼ね備えた製品

  • 産業用オートメーション
  • オートモーティブ
  • 適応型アクセラレーション
  • フォグ・コンピューティング

Ti750、Ti1000

最も要求の厳しいアプリケーションに必要な集積度とインターフェイスを備えた高性能プラットフォーム

  • 通信ネットワーク
  • PCI Express アクセラレータ カード
  • FPGA ベースサーバー
  • スマート ストレージ

製品ラインナップとパッケージ

リソースとインターフェイス

機能 Ti35 Ti60 Ti90 Ti120 Ti180 Ti240 Ti375 Ti550 Ti750 Ti1000
ロジック・エレメント (LE) 36,176 62,016 92,534 123,379 176,256 236,888 370,137 533,174 727,056 969,408
10K メモリブロック (Mb) 1.53 2.62 6.88 9.18 13.11 19.37 27.53 39.65 54.07 72.09
DSP ブロック 93 160 336 448 640 946 1,344 1,936 2,640 3,520
PLL 4 4 10 10 10 10 10 10 10 10
GPIO 34 34 80 80 80 80 80 80 80 80
高速 I/O 146 146 232 232 232 172 172 268 268 268
DDR4、LPDDR4 x32 x32 x32 x72 x72 2 x72 2 x72 2 x72
MIPI D-PHY 2.5 Gbps 4 RX
4 TX
4 RX
4 TX
4 RX
4 TX
3 RX
3 TX
3 RX
3 TX
3 RX
3 TX
3 RX
3 TX
3 RX
3 TX
16 Gbps Serdes x8 x8 x8 x12 x12 x16 x16 x16
25.8 Gbps Serdes x8 x8 x8
PCI Express Gen4 (16G) 1 x4 1 x4 1 x4 2 x4 2 x4 2 x8 2 x8 2 x8

パッケージ オプション

パッケージ ピッチ (mm) サイズ (mm) Ti35 Ti60 Ti90 Ti120 Ti180 Ti240 Ti375 Ti550 Ti750 Ti1000
64ボール WLCSP
0.4 3.5x3.4
100ボール FBGA
0.5 5.5x5.5
225ボール FBGA 0.65 10x10
361ボール FBGA 0.65 13x13
484ボール FBGA 0.65 15x15
484ボール FBGA 0.8 18x18
529ボール FBGA 0.8 19x19
625ボール FBGA 0.65 17x17
784ボール FBGA 0.8 23x23
1,156ボール FBGA 1.0 35x35

各パッケージで利用可能なリソース (I/O 数、PLL 数、内蔵ハードコアブロックなど)の詳細は、各 FPGA データシートのリソース表をご参照ください。

Efinity ソフトウェア サポート

Efinity® ソフトウェアは、RTL デザインからビットストリーム生成 (論理合成、配置配線、タイミング解析を含む) までの完全なツールフローを提供します。ソフトウェアには、プロジェクトの設定、ツールフローの実行、および結果の表示を視覚的に操作するための GUI (グラフィカル・ユーザ・インターフェイス) およびコマンドライン・フロー、Tcl コマンド・コンソールが用意されています。ソフトウェアで生成されたビットストリーム・ファイルにより Titanium FPGA をコンフィギュレーションします。ソフトウェアは、Verilog HDL 言語と VHDL 言語をサポートしています。詳細はこちら

Efinity ソフトウェアは、Quantum コンピューティング・ファブリックの新機能をフルに活用するために最適化されており、Titanium FPGA を完全にサポートしています。その結果、論理合成や配置配線の効率を高め、コンパクトかつエネルギー効率の良いデザインが可能になります。