Microsemi低功耗PolarFire FPGA开发方案详解

Microsemi公司的PolarFire FPGA是第五代非易失FPGA器件，采用最新的28nm非易失工艺技术，具有中等密度和最低功耗，集成了最低功耗的FPGA架构，最低功耗的12.7Gbps收发器，内置低功耗双路PCI Express Gen2 （EP/RP），以及可选择数据安全器件和集成低功耗加密协处理器。多达481K逻辑单元，工作电压1.0V-1.05V，工作温度商用（0℃- 100℃），工业用（-40℃ - 100℃）主要用在通信，工业，航空航天和国防市场。本文介绍了PolarFire FPGA主要特性，低功耗特性，可靠特性和安全特性，框图，以及PolarFire FPGA评估板硬件特性，框图，威廉希尔官方网站 图和元件表以及PCB元件布局图。

PolarFire™ FPGAs are the fifth-generation family of non-volatile FPGA devices from Microsemi， built onstate-of-the-art 28nm non-volatile process technology. Cost-optimized PolarFire FPGAs deliver thelowest power at mid-range densities. PolarFire FPGAs lower the cost of mid-range FPGAs by integratingthe industry’s lowest power FPGA fabric， lowest power 12.7 Gbps transceiver lane， built-in low powerdual PCI Express Gen2 （EP/RP）， and， on select data security （S） devices， an integrated low-power cryptoco-processor. PolarFire FPGAs can operate at 1.0 V and 1.05 V， offering the end user the ability to tradeoff power and performance to match the application requirements.This document describes the features of PolarFire FPGA extended commercial （0℃ to 100℃） andindustrial （–40℃ to 100℃） device offerings.

PolarFire FPGA主要特性：

Up to 481K logic elements consisting of a 4-input look-up table （LUT） with a fractureable D-type flipflop20 Kb dual- or two-port large static random access memory （LSRAM） block with built-in single errorcorrect 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 coefficientROM

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 Mbpsto 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 1250 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-jitterV and 1.05 V operating modes

PolarFire FPGA低功耗特性：

Low device static power

Low inrush current

Low power transceivers

Unique Flash*Freeze （F*F） mode

PolarFire FPGA可靠特性：

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安全特性：

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

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

Libero® SoCPolarFire FPGA Toolset

Complete FPGA and embedded software development environment

Includes Synplify Pro synthesis and Mentor ModelSim ME simulation

图1.PolarFire FPGA框图

PolarFire FPGA评估板

Microsemi’sPolarFire Evaluation Kit offers high-performance evaluation across a broad class of applications. This kit is ideally suited for high-speed transceiver evaluation， 10Gb Ethernet， IEEE1588， JESD204B， SyncE， CPRI and more. The kit connections include a high pin count （HPC） FPGA mezzanine card （FMC）， numerous SMAs， PCIe， Dual Gigabit Ethernet RJ45， SFP+ and USB. A 300K logic element （LE） PolarFire FPGA with DDR4， DDR3 and SPI-flash allow a broad class of high-performance designs to be developed.

PolarFire FPGA评估板硬件特性：

300K LE PolarFire FPGA in an FCG1152 Package （MPF300TS-1FCG1152EES）

HPC FMC Connector

1x SFP+ Cage

IEEE1588 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 SGMII on GPIO

Dual 10/100/1000BASE-T PHY （VSC8575） for SyncE and 1588 application

SATA Interface

Power Management Unit for 1 or 1.05v PolarFire FPGA core voltage

USB to UART Interface

Embedded programming and debugging using SPI and JTAG

On-board Power Monitoring

2 x 1Gb SPI Flash Memory

The MicrosemiPolarFire™ FPGA Evaluation Kit （MPF300-EVAL-KIT）， which is RoHS-compliant，enables you to evaluate the PolarFire family of FPGAs with support for the following interfaces：

• PCI Express Gen1 and Gen2

• 1 GbE

• DDR3 and DDR4 memory

• FMC HPC with 8 Transceiver lanes

• 1 Full-Duplex Transceiver SMAs

• SFP+ Cage

• UART Interface to FTDI device

• SPI Interface to SPI Flash device

PolarFire FPGA评估板包括：

图2.PolarFire FPGA评估板框图

PolarFire FPGA评估板主要特性：

The PolarFire Evaluation Board features the PolarFire MPF300TS-1FCG1152I FPGA. The device hasthe following capabilities：

• 20 Kb dual-port or two-port large static random access memory （LSRAM） block with a built-in singleerror correct double error detect （SECDED）

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

• 18 × 18 Multiply Accumulate （MACC） block with a pre-adder， a 48-bit accumulator， and an optional16 deep × 18 coefficient RO

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

• Digest integrity check for FPGA， μPROM， and sNVM

• Low-power features：

• Low device static power

• Low inrush current

• Low power transceivers

• Unique Flash*Freeze （F*F） mode

• High-performance communication interfaces

The PolarFire Evaluation Board has several standard interfaces， including：

• VSC8575 with two RJ45 connector for 101001000 Mbps Ethernet

• 8 Full-Duplex Transceiver lanes connected through FMC connector

• FMC HPC connector

• DDR3 memory

• DDR4 memory

• Power Sequence and monitor chip

• x4 Lane PCIe Edge connector

• SFP+ connector

• Two SPI Flash devices

图3.PolarFire FPGA评估板外形图

图4.PolarFire FPGA评估板威廉希尔官方网站 图（1）

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PolarFire FPGA评估板材料元件表：

图45.PolarFire FPGA评估板PCB元件布局图（顶层）

图46.PolarFire FPGA评估板PCB元件布局图（底层）