20納米FPGA箭在弦上

臺積電28nm良率大幅提升的利好還沒被市場徹底消化，FPGA業(yè)界雙雄已爭先恐后地發(fā)布20nm FPGA戰(zhàn)略，在性能、功耗、集成度等方面均大幅躍升，蠶食ASIC之勢將愈演愈烈。在45nm工藝節(jié)點，大量ASIC廠商率先量產(chǎn);而到了28nm工藝時代，率先量產(chǎn)的7家公司中已有兩家是FPGA廠商;在20nm時代，F(xiàn)PGA或將拔得頭籌。
超越簡單工藝升級
FPGA向下一代工藝演進并不是“升級”那么簡單，需要諸多創(chuàng)新技術應對挑戰(zhàn)。
邁向更高工藝是市場驅動力所致。“目前無線通信、視頻消費、汽車高級輔助駕駛、醫(yī)療電子、安防技術等應用給FPGA提出了巨大的需求，要滿足如此快速增長的處理需求，必須實現(xiàn)高集成，而要實現(xiàn)高集成必須向高級工藝遷移，并以創(chuàng)新的思路來解決集成挑戰(zhàn)。”賽靈思公司全球高級副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人強調。因此，雖然28nm FPGA產(chǎn)品在今年才量產(chǎn)出貨，但FPGA廠商卻已先行一步向20nm發(fā)力，以滿足市場對可編程邏輯呈指數(shù)級增長的需求。
向下一代工藝演進并不是“升級”那么簡單，需要諸多創(chuàng)新技術應對挑戰(zhàn)。在28nm工藝節(jié)點上，賽靈思率先推出了統(tǒng)All Programmable的7系列FPGA、嵌入ARM cortex-A9的FPGA SoC以及采用3D封裝技術的Virtex-7 2000T，賽靈思20nm產(chǎn)品依然是三個產(chǎn)品系列并行發(fā)展，分別“進化”成8系列FPGA、第二代FPGA SoC和第二代3D封裝FPGA。賽靈思20nm 8系列All Programmable FPGA將有更快的DSP、BRAM(Block RAM)、DDR4及收發(fā)器，有最高的帶寬(100個33Gb/s收發(fā)器)，可以實現(xiàn)更高的帶寬總線和更快的設計收斂。與7系列產(chǎn)品相比，其性能提高了2倍，功耗降低了一半，集成度則提高了1.5～2倍。在FPGA SoC方面，賽靈思嵌入了ARM Cortex-A9雙核處理器的28nm ZYNQ系列產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)出貨，“賽靈思20nm FPGA SoC將不但嵌入ARM處理器，也將嵌入其他處理單元，例如DSP、靈活混合信號(AMS)以及經(jīng)驗證的Video IP、算法等等，它還將采用AXI總線。”湯立人介紹說，“今后還有可能嵌入性能更高、更多的ARM核。”
FPGA另一重要供應商Altera在20nm工藝也導入了三項新技術。Altera高級副總裁、首席技術官Misha Burich介紹，Altera的20nm工藝FPGA一是可將芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度提高至40Gbps，而現(xiàn)行的28nm工藝FPGA為28Gbps。為了實現(xiàn)高速化，20nm工藝FPGA提高了收發(fā)器電路使用的晶體管性能，同時導入了根據(jù)在芯片間交換信號的波形來修正信號、改善信號干擾及衰減程度的電路技術。二是配備浮點運算性能達到5TFLOPS(每秒5萬億次浮點運算)以下的可變精度DSP模塊。為了提高性能，將原來用軟件實現(xiàn)的DSP部分運算處理改為了硬件操作。三是異構3D IC的應用。
3D IC技術加快發(fā)展
作為新技術，3D IC需要更好、更成熟的設計和測試工具才能被業(yè)界廣泛接受。
在諸多創(chuàng)新中，最吸引眼球的是3D IC技術在同構之外，異構技術也將加快發(fā)展。“異構3D IC技術可將FPGA與以前外置的芯片集成在同一封裝中，不僅可使芯片間的布線距離縮短，而且還可大大增加芯片間的布線根數(shù)，大幅提高芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度(系統(tǒng)性能)，而因為芯片間布線距離縮短及接口布線電容減少等原因，能夠降低系統(tǒng)功耗。”Misha Burich指出。
賽靈思的3D IC產(chǎn)品規(guī)劃已從最初的同構系統(tǒng)發(fā)展到異構系統(tǒng)，如在28nm節(jié)點，賽靈思率先推出的virtex-7 200T是同構器件，后來推出的Virtex-7 H580T則是異構器件，在28nm工藝的FPGA上封裝了45nm工藝的28Gbps收發(fā)器，現(xiàn)在賽靈思20nm 3D IC也將提供同構和異構兩種配置。湯立人指出，20nm 3D IC不但有56Gbps收發(fā)器，還封裝有更大容量的存儲器，雖然封裝難度加大，但賽靈思已經(jīng)解決了很多難題，這將是一種全新的3D IC器件。
Altera的異構3D IC技術則通過創(chuàng)新的高速互聯(lián)接口來集成FPGA和用戶可定制HardCopy ASIC，或者集成包括存儲器、第三方ASIC、光接口等在內的各種技術。同時，20nm混合系統(tǒng)架構在功耗管理方面繼續(xù)創(chuàng)新，包括自適應電壓調整、可編程功耗技術以及工藝技術優(yōu)化等，使得Altera器件功耗比前一代降低了60%。
當然，3D IC技術看上去很美，但真正大規(guī)模使用還要解決諸多挑戰(zhàn)。Mentor Graphics公司董事會主席兼CEO Wally Rhines曾表示，2.5D(SiP)技術目前仍然沒有發(fā)揮到極致，2.5D IC的存在時間將比業(yè)界普遍預期的要更長一些。作為新技術，3D IC需要更好、更成熟的設計和測試工具才能被業(yè)界廣泛接受。
設計工具與時俱進
設計工具針對20nm產(chǎn)品系列進行了進一步協(xié)同優(yōu)化，將設計效率提高到新的層級。
正所謂“好馬配好鞍”，要讓好器件發(fā)揮出最大效能也需要有更好的設計工具來支持。
與賽靈思7系列28nm產(chǎn)品系列一同推出的Vivado設計套件，針對20nm產(chǎn)品系列進行了進一步協(xié)同優(yōu)化，將設計效率提高到新的層級。湯立人介紹說，新的Vivado設計套件可讓設計人員將LUT利用率提升20%，性能提升3個速度等級，功耗降低35%，設計生產(chǎn)力提升4倍。此外，在配合C語言設計流程使用時，驗證運行時間縮短100倍。RTL仿真和硬件協(xié)同仿真速度快3～100倍。而且利用Vivado的IP集成器和封裝器實現(xiàn)IP重用可將集成速度加快4～5倍。
“新的Vivado設計套件可將以前的幾個月設計周期縮短到幾周，這是設計效率的大幅度提升。”湯立人強調，“通過與賽靈思Vivado設計套件針對最高生產(chǎn)力和結果質量的協(xié)同優(yōu)化，20nm產(chǎn)品系列將能夠為行業(yè)提供更具吸引力的ASIC和ASSP可編程替代方案。”
而Altera的異構20nm FPGA的開發(fā)通過全功能高級設計環(huán)境得以實現(xiàn)，這一設計環(huán)境包括系統(tǒng)集成工具(Qsys)、基于C語言的設計工具(OpenCL)以及DSP開發(fā)軟件(DSP Builder)。Misha Burich表示，下一代高性能設計DSP開發(fā)人員不再需要花費數(shù)天甚至幾個星期的時間來評估FPGA DSP解決方案的性能。通過集成OpenCL和DSP創(chuàng)新技術，采用業(yè)界標準設計工具和軟件庫，Altera產(chǎn)品能夠實現(xiàn)5 TFLOPS的單精度DSP能力，這將重新樹立業(yè)界TFLOPS/W硅片效率的標準。