Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Ethernetportar får ständigt bättre prestanda och används i allt fler produkter. Det är en utveckling som drivs av att existerande maskiner kopplas upp till Internet i kombination med att det lanseras allt fler IoT-produkter.

Även nätverksoperatörerna har behov av att kraftigt minska investerings- och driftskostnaderna samtidigt som de kan erbjuda kunderna att titta på video med 4k-kvalitet oberoende av var de är.

Majoriteten av den här typen av kommunikations- och IoT-produkter använder Ethernet med 1 Gbit/s till 10 Gbit/s. Tittar man specifikt på accesspunkter och gateways så klarar de numera att processa data trots att de sitter långt ut i näten. 

För att sänka kostanden på dessa produkter krävs ett helhetsperspektiv. En första möjlighet är att sänka effektförbrukningen så att det inte behövs någon fläkt eller kylfläns. Ett annat alternativ är att skapa en dedicerad produkt som kan fungera som en brygga och vars funktionalitet kan implementeras i en modul med samma formfaktor som en SFP-transceiver (small form-factor pluggable). Dessa lösningar måste ha en Ethernetport som inte drar allt för mycket ström samtidigt som den tar liten plats. 

FPGA:er är ofta lösningen på problemet. De minsta saknar dock ofta transceivrar för 10 Gbit/s samtidigt som de lite större har det, men de tar för mycket yta på kortet och är för effekthungriga.

För att komma ifråga måste FPGA:an vara tillräckligt liten men ändå klara Ethernet med 10 Gbit/s. Den måste ha gott om internt minne, många generella in- och utgångar på 3,3 V och kunna kopplas till externa minnen.

Kravet på litet fotavtryck är väldigt påtagligt i SFP-moduler som ofta används i produkter med Ethernetanslutning på 1 Gbit/s till 10 Gbit/s. Kretsar som går att använda ger stor flexibilitet och sänker kostnaden. Ta som exempel en gateway med Ethernet på 10 Gbit/s. Den behöver inte alltid synkron nätverkstid, som SyncE eller IEEE1588. Om en SFP-modul konstrueras in i produkten kan man använda en som stödjer exempelvis SyncE. Detta medför att systemarkitekten slipper implementera funktionen på moderkortet samtidigt som det sänker kostnaden för slutkunder som inte behöver funktionen.

Även om många enklare FPGA:er är tillräckligt små för att klara storlekskraven i den här tillämpningen har de inte tillräcklig prestanda. FPGA:erna i Polarfire-familjen finns i två storlekar med en kapsling som bara är 11 mm i sida. De är optimerade på kostnad och strömförbrukning plus att de klarar Ethernet med 10 Gbit/s.

Många utvecklare av kommunikationsprodukter använder Gigabit Ethernetanslutningar i allt fler produktkategorier. De används inte längre enbart till data utan även för styrning, statusuppdateringar och annat. Ofta multiplexeras de ihop till en enda förbindelse på 10 Gbit/s. FPGA:er i mellanklassen klarar datatakter på 1 Gbit/s till 10 Gbit/s men kräver transceivrar för att kunna implementera både 1G SGMII och 10G 10BASE-R eller 10BASE-KR. 

Idealisk är därför om kretsen har generiska in- och utgångar som stöder SGMII. 

Traditionella FPGA:er i mellanklassen saknar den här funktionen och måste därför förlita sig på transceivrar som finns i begränsad mängd om man inte använder de största FPGA:erna. Dessa är dock onödigt stora i de flesta fall men används trots det eftersom de har fler transceivrar. Resultatet blir högre effektförbrukning och kostnad liksom att det krävs mer yta på kretskortet.

Polarfire erbjuder en effektoptimerad lösning av mellanstora FPGA:er som passar produkter som ansluts med 1 Gbit/s och 10 Gbit/s. Familjen finns från 100k till 500k uppslagstabeller och med 8 till 24 transceivrar som klarar 12,7 Gbit/s vilket innebär Ethernet med 1 Gbit/s till 10 Gbit/s.

En unik funktion i Polarfire är att det finns integrerad klock- och dataåtervinning i de snabba LVDS-portarna vilket gör att de klarar 1,25 Gbit/s. Därmed kan de stödja SGMII-gränssnitt via ett antal generella in- och utgångar. Konstruktioner som kräver både 1 Gbit/s och 10 Gbit/s kan använda en kombination av transceivrar och generella in- och utgångar.

Konstruktörerna behöver inte längre välja de större kretsarna för att de har fler transceivrar. Med Polarfire får man en FPGA som tar mindre kretskortsyta. Gränssnitt som är implementerade i generella in- och utgångar drar mindre effekt än en transceiver och är därmed en bra strategi för att minska både investerings- och driftskostnaden.

FPGA:an brukar stå för en stor del av strömförbrukningen där statisk effektförbrukning och förbrukningen i transceivrarna är de två största bovarna. Polarfire är överlägsen i bägge kategorier. I konkurrerande SRAM-baserade FPGA:er kan den statiska effektförbrukningen stå för så mycket som 50 procent av den totala effektförbrukningen. I takt med att processgeometrierna blivit finare ökar dessutom problemet.

Polarfire är baserat på en icke-flycktig process vilket resulterar i att kretsarna har ungefär en tiodel i statisk effektförbrukning. 

Den andra stora effektförbrukaren är transceivrarna. Medelstora SRAM-baserade FPGA:er drar typiskt 160 mW till 200 mW för varje förbindelse på 10 Gbit/s. Polarfire klarar sig med 90 mW för samma funktion. Kom ihåg att Polarfire också kan implementera kommunikation på 1 Gbit/s via genererella in- och utgångar vilket drar under 30 mW. 

Sammantaget klarar sig Polarfire på ungefär halva effektförbrukningen jämfört med medelstora SRAM-baserade FPGA:er.