2013年，F(xiàn)PGA進入20nm帶給我們什么？
[導讀]就在大家為28nm的FPGA器件2012年開始全面量產(chǎn)而振臂歡呼的時候，兩大FPGA廠商又開始在力推其20nm的FPGA器件了。那么，20nm能讓我們超越什么？對于像賽靈思(Xilinx)這樣剛剛在28nm上花了巨資量產(chǎn)的公司，為什么又要去
就在大家為28nm的FPGA器件2012年開始全面量產(chǎn)而振臂歡呼的時候，兩大FPGA廠商又開始在力推其20nm的FPGA器件了。那么，20nm能讓我們超越什么？對于像賽靈思(Xilinx)這樣剛剛在28nm上花了巨資量產(chǎn)的公司，為什么又要去追20nm呢？
“業(yè)界對于應(yīng)用的追求是無止境的?！辟愳`思全球高級副總裁湯立人說道，“雖然28nm已能很好滿足現(xiàn)今的需求，我們的Kintex-7上個季度發(fā)布超過20M，并且完全可編程的Zynq獲得的Design機會目前已與FPGA相當，但是新的應(yīng)用又在召喚我們前行，所以我們2013年會推出新一代的基于20nm工藝的FPGA、完全可編程SoC和3D IC等，與今天基于28nm的產(chǎn)品相比，又有了更進一步的提升?！?BR>
湯立人強調(diào)，同其他廠商比，Xilinx的優(yōu)勢在于，包括3D IC和全部可編程SoC等技術(shù)，他們已在28nm上實現(xiàn)突破，并且已在批量出貨了，“這使得我們在20nm時可以推出第二代性能更強、功耗更低的產(chǎn)品，這個非常重要，很多難題我們在28nm時解決，而不是留到20nm時才開始學習?！彼忉?，特別是3D IC這一最新的技術(shù)，它需要產(chǎn)業(yè)鏈的高度配合，包括晶圓廠、封裝廠以及半導體設(shè)備廠商全部要一起協(xié)作來完成這一3D封裝的高科技工藝。Xilinx在28nm時不僅實現(xiàn)了同構(gòu)架構(gòu)的3D IC量產(chǎn)，還實現(xiàn)了異構(gòu)3D IC的量產(chǎn)——Virtex-7 H580T，在無源硅中介層上將專用的28G收發(fā)器芯片與兩個FPGA芯片并行放置。這樣一來，賽靈思推出的器件就能提供8個28-Gbps收發(fā)器、48個13.1-Gbps收發(fā)器和580k邏輯單元。對于基于 CFP2 光學模塊的 2×100G 光學傳輸線路卡等應(yīng)用而言，Virtex-7 H580T 不僅可將材料清單成本銳減五分之一，還能相對于上一代實現(xiàn)方案而言顯著減少板級空間。
20nm上如何再超越？
湯立人解釋，正在研究的20nm產(chǎn)品是為了滿足如下最新的需求：1) 智能Nx100G-400G有線網(wǎng)絡(luò)；2) LTE高級無線基站部署智能自適應(yīng)天線、認知無線電技術(shù)、基帶和回程設(shè)備；3) 高吞吐量、低功耗的數(shù)據(jù)中心存儲、智能網(wǎng)絡(luò)和高度集成的低時延應(yīng)用加速；4) 圖像/視頻處理以及面向新一代顯示、專業(yè)攝像機、工廠自動化、高級汽車駕駛員輔助和監(jiān)視系統(tǒng)的嵌入式視覺；5) 面向幾乎所有可以想象到的應(yīng)用的尖端連接技術(shù)。
20nm帶給我們什么樣的科技進步？“從賽靈思來說，進入20nm, 并不是傳統(tǒng)的FPGA簡單地遷移到下一個節(jié)點?！睖⑷颂貏e強調(diào)。
在20nm，賽靈思目前正在開發(fā)其第二代SoC和3D IC技術(shù)，以及下一代的FPGA技術(shù)?！拔覀兊念I(lǐng)先優(yōu)勢包括FPGA性能/瓦的突破，與客戶一起更好微調(diào)的更成熟的SoC和3D IC技術(shù)，與其下一代Vivado設(shè)計套件‘協(xié)同優(yōu)化’的器件?！彼Q。賽靈思在系統(tǒng)中重新定義了高性能收發(fā)器的設(shè)計和優(yōu)化。 這讓賽靈思能夠更有效地把20nm的附加價值引入領(lǐng)先的和業(yè)經(jīng)證明的28nm技術(shù)之中， 讓客戶的創(chuàng)新繼續(xù) 保持領(lǐng)先一代。主要的技術(shù)突破來自以下幾個方面：
一、從28nm到20nm FPGA進一步優(yōu)化性能/瓦：將系統(tǒng)級性能提升2倍，內(nèi)存帶寬擴大2倍，總功耗降低50%，邏輯功能集成和關(guān)鍵系統(tǒng)建模加速1.5倍多。設(shè)計人員在高性能應(yīng)用中，可以用到更高的速度架構(gòu)及第二代專為系統(tǒng)而優(yōu)化的收發(fā)器。而LTE無線、DSP和圖像/視頻應(yīng)用的開發(fā)人員，可以利用其更快的DSP， BRAM和DDR4內(nèi)存接口。所有應(yīng)用都將受益于賽靈思的下一代路由體系結(jié)構(gòu)， 可以輕松地擴展超過90％的資源利用率，實現(xiàn)更高的結(jié)果質(zhì)量及更快的設(shè)計收斂。
二、第一代到第二代All Programmable SoC：賽靈思的28nm Zynq-7000 All Programmable SoC是行業(yè)第一個硬件、軟件和I/O均可編程的器件。為在20nm繼續(xù)居于領(lǐng)先一代的地位，賽靈思將借助一個新的異構(gòu)處理系統(tǒng)，有效地提供更高的系統(tǒng)性能。 這個嵌入式系統(tǒng)將被用超過2倍的互連帶寬耦合到下一代FPGA架構(gòu)中。在芯片上的模擬混合信號性能將翻一番，同時可編程I/O將隨著下一代DDR4和PCI Express?接口而升級。這種新級別的嵌入式處理性能和I/O帶寬被賦予SoC級的功耗和安全管理。第二代All Programmable SoC將實現(xiàn)最高水平的可編程系統(tǒng)集成，并滿足最嚴格的的系統(tǒng)級規(guī)格。
三、從第一代到第二代All Programmable 3D IC：和一個純粹的單芯片解決方案所可能達到的結(jié)果相比，賽靈思28nm同構(gòu)和異構(gòu)Virtex 3D IC把設(shè)計容量、系統(tǒng)級性能和系統(tǒng)集成的水平均整整翻了一番，提供了領(lǐng)先一代的價值優(yōu)勢。通過賽靈思堆疊硅片互連技術(shù)(SSIT)中的硅中介層，賽靈思 FPGA和收發(fā)器混合信號裸片和超過10,000個可編程互連集成在一起。
為在20nm繼續(xù)領(lǐng)先一代，賽靈思將利用一個兩級接口擴大其3D IC的架構(gòu)，讓同構(gòu)和異構(gòu)裸片的集成均能基于開放的行業(yè)標準實現(xiàn)。從而把邏輯容量擴展1.5倍或增加30-40M ASIC等效門的設(shè)計。此外，這些器件將擁有4倍的收發(fā)器帶寬，利用> 33GB/s的收發(fā)器(最終到56GB/s)。此外，DDR4高性能存儲器接口，以及具有更寬更高帶寬、更低功耗的集成的存儲裸片，將實現(xiàn)更高性能的應(yīng)用。
四、針對結(jié)果質(zhì)量和生產(chǎn)力從優(yōu)化發(fā)展到“協(xié)同優(yōu)化”：過去4年中，賽靈思從頭全新開發(fā)了一個下一代的設(shè)計環(huán)境與工具套件—Vivado。如果沒有這樣的設(shè)計套件，賽靈思公司的3D IC技術(shù)就不能得到有效的利用。對于FPGA和SoC，新的設(shè)計套件進一步把設(shè)計的結(jié)果質(zhì)量(QOR)提升了高達3個速度等級，削減動態(tài)功耗高達50％，布線能力和資源利用率??提升20％多，并加快實現(xiàn)速度高達4倍。
目前，賽靈思利用下一代Vivado 設(shè)計套件，進一步“協(xié)同優(yōu)化”其20nm芯片器件。通過構(gòu)建和優(yōu)化工具，器件和IP相結(jié)合，設(shè)計人員可以最大化地釋放芯片的價值，同時縮短他們的設(shè)計和實現(xiàn)過程。因此，這些新一代20nm的FPGA中，第二代All Programmable SoC和第二代3D IC技術(shù)將可以提供領(lǐng)先一個節(jié)點的性能優(yōu)勢，大幅降低功耗，提供業(yè)界最高水平的可編程系統(tǒng)集成，并進一步加速集成和實現(xiàn)的速度。
半導體行業(yè)的領(lǐng)導者正在逐步發(fā)現(xiàn)20nm的價值，而且一些設(shè)計已經(jīng)正在進行中。不過，有一點要提的是，一些主流晶圓代工廠商在進入20nm時不會再同時研發(fā)幾個工藝，因為投入實在巨大，可能到20nm時，比如TSMC等只會專注于開發(fā)HPL工藝了。
600)this.style.width=600;" border="0" />圖1：業(yè)界對于應(yīng)用的追求是無止境的，下一代產(chǎn)品將滿足未來眾多創(chuàng)新應(yīng)用。[!--empirenews.page--]
600)this.style.width=600;" border="0" />圖2：因為有了28nm這個重要節(jié)點的突破與積累，20nm的3DIC等產(chǎn)品將具有更高集成度和性能。
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圖3：第二代3D IC專為更高性能、功耗和集成度而采用了異構(gòu)設(shè)計。
“業(yè)界對于應(yīng)用的追求是無止境的?！辟愳`思全球高級副總裁湯立人說道，“雖然28nm已能很好滿足現(xiàn)今的需求，我們的Kintex-7上個季度發(fā)布超過20M，并且完全可編程的Zynq獲得的Design機會目前已與FPGA相當，但是新的應(yīng)用又在召喚我們前行，所以我們2013年會推出新一代的基于20nm工藝的FPGA、完全可編程SoC和3D IC等，與今天基于28nm的產(chǎn)品相比，又有了更進一步的提升?！?BR>
湯立人強調(diào)，同其他廠商比，Xilinx的優(yōu)勢在于，包括3D IC和全部可編程SoC等技術(shù)，他們已在28nm上實現(xiàn)突破，并且已在批量出貨了，“這使得我們在20nm時可以推出第二代性能更強、功耗更低的產(chǎn)品，這個非常重要，很多難題我們在28nm時解決，而不是留到20nm時才開始學習?！彼忉?，特別是3D IC這一最新的技術(shù)，它需要產(chǎn)業(yè)鏈的高度配合，包括晶圓廠、封裝廠以及半導體設(shè)備廠商全部要一起協(xié)作來完成這一3D封裝的高科技工藝。Xilinx在28nm時不僅實現(xiàn)了同構(gòu)架構(gòu)的3D IC量產(chǎn)，還實現(xiàn)了異構(gòu)3D IC的量產(chǎn)——Virtex-7 H580T，在無源硅中介層上將專用的28G收發(fā)器芯片與兩個FPGA芯片并行放置。這樣一來，賽靈思推出的器件就能提供8個28-Gbps收發(fā)器、48個13.1-Gbps收發(fā)器和580k邏輯單元。對于基于 CFP2 光學模塊的 2×100G 光學傳輸線路卡等應(yīng)用而言，Virtex-7 H580T 不僅可將材料清單成本銳減五分之一，還能相對于上一代實現(xiàn)方案而言顯著減少板級空間。
20nm上如何再超越？
湯立人解釋，正在研究的20nm產(chǎn)品是為了滿足如下最新的需求：1) 智能Nx100G-400G有線網(wǎng)絡(luò)；2) LTE高級無線基站部署智能自適應(yīng)天線、認知無線電技術(shù)、基帶和回程設(shè)備；3) 高吞吐量、低功耗的數(shù)據(jù)中心存儲、智能網(wǎng)絡(luò)和高度集成的低時延應(yīng)用加速；4) 圖像/視頻處理以及面向新一代顯示、專業(yè)攝像機、工廠自動化、高級汽車駕駛員輔助和監(jiān)視系統(tǒng)的嵌入式視覺；5) 面向幾乎所有可以想象到的應(yīng)用的尖端連接技術(shù)。
20nm帶給我們什么樣的科技進步？“從賽靈思來說，進入20nm, 并不是傳統(tǒng)的FPGA簡單地遷移到下一個節(jié)點?！睖⑷颂貏e強調(diào)。
在20nm，賽靈思目前正在開發(fā)其第二代SoC和3D IC技術(shù)，以及下一代的FPGA技術(shù)?！拔覀兊念I(lǐng)先優(yōu)勢包括FPGA性能/瓦的突破，與客戶一起更好微調(diào)的更成熟的SoC和3D IC技術(shù)，與其下一代Vivado設(shè)計套件‘協(xié)同優(yōu)化’的器件?！彼Q。賽靈思在系統(tǒng)中重新定義了高性能收發(fā)器的設(shè)計和優(yōu)化。 這讓賽靈思能夠更有效地把20nm的附加價值引入領(lǐng)先的和業(yè)經(jīng)證明的28nm技術(shù)之中， 讓客戶的創(chuàng)新繼續(xù) 保持領(lǐng)先一代。主要的技術(shù)突破來自以下幾個方面：
一、從28nm到20nm FPGA進一步優(yōu)化性能/瓦：將系統(tǒng)級性能提升2倍，內(nèi)存帶寬擴大2倍，總功耗降低50%，邏輯功能集成和關(guān)鍵系統(tǒng)建模加速1.5倍多。設(shè)計人員在高性能應(yīng)用中，可以用到更高的速度架構(gòu)及第二代專為系統(tǒng)而優(yōu)化的收發(fā)器。而LTE無線、DSP和圖像/視頻應(yīng)用的開發(fā)人員，可以利用其更快的DSP， BRAM和DDR4內(nèi)存接口。所有應(yīng)用都將受益于賽靈思的下一代路由體系結(jié)構(gòu)， 可以輕松地擴展超過90％的資源利用率，實現(xiàn)更高的結(jié)果質(zhì)量及更快的設(shè)計收斂。
二、第一代到第二代All Programmable SoC：賽靈思的28nm Zynq-7000 All Programmable SoC是行業(yè)第一個硬件、軟件和I/O均可編程的器件。為在20nm繼續(xù)居于領(lǐng)先一代的地位，賽靈思將借助一個新的異構(gòu)處理系統(tǒng)，有效地提供更高的系統(tǒng)性能。 這個嵌入式系統(tǒng)將被用超過2倍的互連帶寬耦合到下一代FPGA架構(gòu)中。在芯片上的模擬混合信號性能將翻一番，同時可編程I/O將隨著下一代DDR4和PCI Express?接口而升級。這種新級別的嵌入式處理性能和I/O帶寬被賦予SoC級的功耗和安全管理。第二代All Programmable SoC將實現(xiàn)最高水平的可編程系統(tǒng)集成，并滿足最嚴格的的系統(tǒng)級規(guī)格。
三、從第一代到第二代All Programmable 3D IC：和一個純粹的單芯片解決方案所可能達到的結(jié)果相比，賽靈思28nm同構(gòu)和異構(gòu)Virtex 3D IC把設(shè)計容量、系統(tǒng)級性能和系統(tǒng)集成的水平均整整翻了一番，提供了領(lǐng)先一代的價值優(yōu)勢。通過賽靈思堆疊硅片互連技術(shù)(SSIT)中的硅中介層，賽靈思 FPGA和收發(fā)器混合信號裸片和超過10,000個可編程互連集成在一起。
為在20nm繼續(xù)領(lǐng)先一代，賽靈思將利用一個兩級接口擴大其3D IC的架構(gòu)，讓同構(gòu)和異構(gòu)裸片的集成均能基于開放的行業(yè)標準實現(xiàn)。從而把邏輯容量擴展1.5倍或增加30-40M ASIC等效門的設(shè)計。此外，這些器件將擁有4倍的收發(fā)器帶寬，利用> 33GB/s的收發(fā)器(最終到56GB/s)。此外，DDR4高性能存儲器接口，以及具有更寬更高帶寬、更低功耗的集成的存儲裸片，將實現(xiàn)更高性能的應(yīng)用。
四、針對結(jié)果質(zhì)量和生產(chǎn)力從優(yōu)化發(fā)展到“協(xié)同優(yōu)化”：過去4年中，賽靈思從頭全新開發(fā)了一個下一代的設(shè)計環(huán)境與工具套件—Vivado。如果沒有這樣的設(shè)計套件，賽靈思公司的3D IC技術(shù)就不能得到有效的利用。對于FPGA和SoC，新的設(shè)計套件進一步把設(shè)計的結(jié)果質(zhì)量(QOR)提升了高達3個速度等級，削減動態(tài)功耗高達50％，布線能力和資源利用率??提升20％多，并加快實現(xiàn)速度高達4倍。
目前，賽靈思利用下一代Vivado 設(shè)計套件，進一步“協(xié)同優(yōu)化”其20nm芯片器件。通過構(gòu)建和優(yōu)化工具，器件和IP相結(jié)合，設(shè)計人員可以最大化地釋放芯片的價值，同時縮短他們的設(shè)計和實現(xiàn)過程。因此，這些新一代20nm的FPGA中，第二代All Programmable SoC和第二代3D IC技術(shù)將可以提供領(lǐng)先一個節(jié)點的性能優(yōu)勢，大幅降低功耗，提供業(yè)界最高水平的可編程系統(tǒng)集成，并進一步加速集成和實現(xiàn)的速度。
半導體行業(yè)的領(lǐng)導者正在逐步發(fā)現(xiàn)20nm的價值，而且一些設(shè)計已經(jīng)正在進行中。不過，有一點要提的是，一些主流晶圓代工廠商在進入20nm時不會再同時研發(fā)幾個工藝，因為投入實在巨大，可能到20nm時，比如TSMC等只會專注于開發(fā)HPL工藝了。
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600)this.style.width=600;" border="0" />圖2：因為有了28nm這個重要節(jié)點的突破與積累，20nm的3DIC等產(chǎn)品將具有更高集成度和性能。
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圖3：第二代3D IC專為更高性能、功耗和集成度而采用了異構(gòu)設(shè)計。
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