28nm制程助攻　FPGA朝3D IC及SoC設(shè)計(jì)演進(jìn)

FPGA正朝3D IC及SoC設(shè)計(jì)形式演進(jìn)。得益于28納米先進(jìn)制程所帶來的低功耗、小尺寸優(yōu)勢，F(xiàn)PGA不僅已能整合處理器核心，朝SoC方案演進(jìn)，藉此提升整合度及產(chǎn)品性能，更可實(shí)現(xiàn)多種異質(zhì)元件整合的3D IC，將有助開發(fā)人員設(shè)計(jì)出更智能的嵌入式系統(tǒng)。

現(xiàn)場可編程閘陣列(FPGA)廠商在28納米(nm)制程節(jié)點(diǎn)上推出多項(xiàng)全新技術(shù)，為客戶新一代的系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來意義重大的價(jià)值。在新的制程競賽中，F(xiàn)PGA 業(yè)者并非只將現(xiàn)有的FPGA架構(gòu)移植到新的制程節(jié)點(diǎn)上，而是力求各種FPGA的創(chuàng)新，并在市場上推出三維晶片(3D IC)和系統(tǒng)單晶片(SoC)元件。

這些3D IC與SoC產(chǎn)品采用各種形式的可編程技術(shù)，包括從可編程硬件到軟件、數(shù)字到模擬和混合信號(hào)(AMS)、單晶片到多晶片3D IC方案(圖1)。有了這些全新的3D IC與SoC元件，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就能進(jìn)一步提升可編程系統(tǒng)的整合度、增加整體系統(tǒng)效能、降低整體物料清單(BOM)成本，以及以更快的速度，向終端市場推出更創(chuàng)新的智慧型產(chǎn)品。

在性能升級(jí)之下，SoC FPGA在車用領(lǐng)域市占攀升　

目前FPGA廠商經(jīng)過多年原型設(shè)計(jì)和評估所開發(fā)出的全新元件也進(jìn)入量產(chǎn)階段，如賽靈思(Xilinx)與臺(tái)積電合作推出全新高效能、低功耗28納米晶片制程技術(shù)，不僅是專為FPGA量身打造，更具有最佳的高效能和低功耗特性;另外，該公司成立頂尖的EDA設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來開發(fā)全新現(xiàn)代化設(shè)計(jì)套件，不僅可讓客戶在采用其五個(gè)28納米元件系列時(shí)能提高工作效率，更能夠滿足往后10年客戶對于3D IC與SoC元件的可擴(kuò)充性需求。

先進(jìn)納米制程助陣　SoC FPGA異軍突起

SoC FPGA整合三種適用于大規(guī)模客制化的可編程設(shè)計(jì)功能，包括硬件、軟件和輸入輸出(I/O)可編程設(shè)計(jì)。

從 90年代后期開始，F(xiàn)PGA供應(yīng)商紛紛推出軟核處理器，客戶可將這種核心整合至FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)中，讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在統(tǒng)一的架構(gòu)中緊密結(jié)合處理和邏輯功能，并進(jìn)一步降低BOM成本。過程中，許多軟件處理器都被用作嵌入式狀態(tài)機(jī) (Embedded State Machine)，而非用來執(zhí)行各種更復(fù)雜系統(tǒng)中的作業(yè)系統(tǒng)和軟件堆疊。

2005年左右，新的半導(dǎo)體制程讓FPGA廠商能夠推出更高容量的元件，于是廠商開始將硬核處理器與FPGA邏輯配合使用，藉此有效且大幅提升FPGA的處理效能，如賽靈思先后在其高階的Virtex FX元件系列中加入PowerPC中央處理器(CPU)核心。

相較于軟件核心方案，加入硬核處理器的Virtex FX系列即可大幅提高處理器效能，然設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)則要先對FPGA邏輯進(jìn)行程式設(shè)計(jì)才能為處理器設(shè)計(jì)程式。一旦要為FPGA邏輯設(shè)計(jì)程式，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就須建置自己的周邊功能和存儲(chǔ)器子系統(tǒng)，并須建置“嵌入式系統(tǒng)”和相關(guān)進(jìn)出邏輯的管道。

熟悉FPGA設(shè)計(jì)的專家當(dāng)然可提升處理器效能，不過相較于更受歡迎的傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這種架構(gòu)更為復(fù)雜。在此經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，賽靈思于2008年開始進(jìn)行Zynq-7000 All Programmable SoC的架構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)開始著手建構(gòu)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)體系，包括硬件和軟件開發(fā)工具，甚至基礎(chǔ)架構(gòu)，以促進(jìn)元件的編程設(shè)計(jì)作業(yè)。

此外，賽靈思選擇得到充分支援的1GHz頻率安謀國際(ARM)A9雙核處理器系統(tǒng)，并與ARM合作建立AXI4介面標(biāo)準(zhǔn)，在架構(gòu)的邏輯部分，能讓協(xié)力廠商、賽靈思和客戶開發(fā)的核心都有隨插即用的利便性。

此外，賽靈思也讓Zynq系列能從處理器直接啟動(dòng)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能以熟悉的方式投入開發(fā)工作，并可盡快著手軟件開發(fā)，進(jìn)而加快產(chǎn)品上市時(shí)間。由于可先啟動(dòng)處理器，軟件設(shè)計(jì)人員即便不熟悉FPGA邏輯或硬件設(shè)計(jì)也能使用元件，甚至還能擴(kuò)展編程設(shè)計(jì)范圍。此外，該公司還提供豐富的外部硅智財(cái)(IP)和具可編程功能的高速I/O，不僅能為客戶提供一顆FPGA，甚至是一顆FPGA和一個(gè)處理器，更可實(shí)現(xiàn)真正的SoC FPGA。

TSV技術(shù)助力　3D IC FPGA元件出爐

此外，F(xiàn)PGA制造商在28納米制程節(jié)點(diǎn)上推出的另一類全新元件是3D IC。早在2004年，F(xiàn)PGA業(yè)者即已探索多晶片在統(tǒng)一IP配置中的堆疊，并推出原型設(shè)計(jì)，突破摩爾定律的限制，為可編程設(shè)計(jì)系統(tǒng)整合開創(chuàng)全新范疇。

FPGA 業(yè)者的科學(xué)家設(shè)計(jì)各種3D IC架構(gòu)的測試晶片，探索堆疊晶片的各種方法，并透過硅穿孔(TSV)技術(shù)為晶片供電和支援晶片與晶片之間的通訊，如賽靈思透過廣泛的原型設(shè)計(jì)和對可靠制程的堅(jiān)持，制定“堆疊矽片互連技術(shù)(SSI)”做為短期內(nèi)可行且實(shí)用的商用架構(gòu)。此架構(gòu)可將多顆晶片并排置于被動(dòng)式硅中介層上，有助于多顆晶片之間的互連和通訊。晶片透過程式設(shè)計(jì)可支援超過一萬個(gè)互連，而每顆晶片和I/O都具有可編程功能。

2012年初，首款3D IC元件已正式出貨。該3D IC元件可并排堆疊四個(gè)FPGA邏輯部分(Slice)，主要都由FPGA邏輯構(gòu)成。這款元件內(nèi)含超過六十八億個(gè)電晶體，打破28奈米制程節(jié)點(diǎn)IC電晶體數(shù)量的紀(jì)錄和FPGA邏輯容量的紀(jì)錄，可提供二百萬個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于二千萬個(gè)特定應(yīng)用集成電路(ASIC)閘極。該元件的尺寸相當(dāng)于同類競爭元件最大型 FPGA的兩倍，以28納米制程而言其邏輯容量比預(yù)期的水準(zhǔn)整整領(lǐng)先一個(gè)世代。此外，SSI技術(shù)架構(gòu)也讓3D IC的容量超越摩爾定律，可滿足新一代產(chǎn)品的需求。

首款3D IC深受客戶歡迎，并已廣泛應(yīng)用在ASIC原型設(shè)計(jì)、儲(chǔ)存和高效能運(yùn)算系統(tǒng)等各種應(yīng)用中，其對于可編程邏輯的容量都有極高的需求。

其中，產(chǎn)業(yè)界首款異質(zhì)架構(gòu)的3D IC元件的制程中，將專用的28G收發(fā)器晶片與兩顆FPGA晶片并排放置在被動(dòng)式硅中介層上。如此一來，此款元件就能提供八個(gè)28Gbit/s收發(fā)器、四十八個(gè)13.1Gbit/s收發(fā)器和五十八萬個(gè)邏輯單元。對于以CFP2光學(xué)模組為基礎(chǔ)的2×100G光學(xué)傳輸線路卡等應(yīng)用而言，異質(zhì)架構(gòu)的3D IC元件的BOM成本不僅可銳減五分之一，更可比上一代解決方案大幅減少電路板空間。

至于另一款3D IC元件則在同一晶片上整合兩顆八通道收發(fā)器晶片和三顆FPGA邏輯晶片，亦即在一個(gè)晶片上共有十六個(gè)28Gbit/s收發(fā)器、七十二個(gè)13.1Gbit /s收發(fā)器和八十七萬六千一百六十個(gè)邏輯單元。Virtex-7 H870T元件可全面支援400G市場的新一代有線通訊。

28nm制程助攻　FPGA功耗再下探

時(shí)至今日，快速演進(jìn)的FPGA產(chǎn)品已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越閘極陣列的水準(zhǔn)。現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA不僅包含數(shù)百萬個(gè)可編程的邏輯閘極，其內(nèi)部還嵌入存儲(chǔ)器控制器、高速I/O及模擬/混合信號(hào)電路。過去設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能用FPGA解決系統(tǒng)中的問題，或“黏合”系統(tǒng)中的元素;但現(xiàn)在客戶能利用FPGA進(jìn)行高效能的資料處理、波形處理、影像/影音處理或高效能的運(yùn)算功能，并能在系統(tǒng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，也能在產(chǎn)品建置后進(jìn)行升級(jí)。

如賽靈思決定采用臺(tái)積電的HPL制程生產(chǎn)全系列28納米3D IC和SoC元件，并以關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新做法來降低功耗，因而FPGA產(chǎn)品能比其他同級(jí)效能水準(zhǔn)的競爭產(chǎn)品降低35-50%的功耗，亦即在省電效率上領(lǐng)先一個(gè)世代。此外，該公司的28納米FPGA，不論是系統(tǒng)效能和整合度，包括區(qū)塊隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(BRAM)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、存儲(chǔ)器介面、收發(fā)器和邏輯元件的整合都超越競爭對手1.2倍至2倍，平均優(yōu)勢更達(dá)1.5倍。

改良3D IC與SoC　FPGA顛覆傳統(tǒng)架構(gòu)

FPGA 廠商開發(fā)各種形式的可編程技術(shù)，超越可編程設(shè)計(jì)硬件，并涵蓋軟件領(lǐng)域;超越數(shù)位，并涵蓋AMS;超越單晶片，并實(shí)現(xiàn)多晶片3D IC。FPGA業(yè)者將這些技術(shù)與FPGA、SoC和3D IC整合，可幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提高可編程系統(tǒng)的整合度、提升系統(tǒng)效能、降低BOM成本，并加快創(chuàng)新產(chǎn)品的上市速度。賽靈思產(chǎn)品組合的轉(zhuǎn)型源自2008年，部分創(chuàng)新技術(shù)更進(jìn)一步追溯至2006年，而現(xiàn)今的產(chǎn)品組合技術(shù)已整整領(lǐng)先競爭對手一個(gè)世代的水準(zhǔn)。

放眼20納米世代，F(xiàn)PGA供應(yīng)商將推出更先進(jìn)的FPGA、第二代SoC、3D IC元件和設(shè)計(jì)環(huán)境/工具套件，持續(xù)擴(kuò)大市占。此外，FPGA制造商多年來藉由與客戶合作改良SoC和3D IC技術(shù)，重新定義高速序列收發(fā)器等關(guān)鍵核心技術(shù)的開發(fā)，改良設(shè)計(jì)方法和工具套件，并擴(kuò)展系統(tǒng)級(jí)開發(fā)環(huán)境與供應(yīng)鏈，確保產(chǎn)品的品質(zhì)和可靠度。