后28nm時(shí)代FPGA尋求架構軟件變革

　　FPGA可謂摩爾定律最堅定不移的“執行者”，FPGA供應商爭搶技術(shù)制高點(diǎn)的戰火蔓延到了28nm工藝節點(diǎn)一年有余，進(jìn)程亦不斷“提速”。賽靈思(Xilinx)于近日公開(kāi)展示了已經(jīng)開(kāi)始出貨的全球第一批28nm Kintex-7 FPGA樣片和評估板。

　　多重創(chuàng )新拓展應用

　　與28nm“接軌”并不如想象中的那么容易，高性能和低功耗必須有所取舍，而Altera和賽靈思的選擇是“各執一端”。Altera 28nm系列產(chǎn)品采用兩種不同的工藝——高端FPGA系列選用高性能(HP)工藝，中低端系列產(chǎn)品選擇了低功耗(LP)工藝。因為Altera認為客戶(hù)更需要高性能，并且高性能和低功耗不能同時(shí)兼顧。而賽靈思采用了最新的高K金屬柵極(HKMG)高性能低功耗(HPL)工藝。賽靈思高級副總裁、亞太區執行總裁湯立人表示，低功耗是設計趨勢，單純追求高性能已無(wú)意義。HPL工藝能夠有效地管理靜態(tài)功耗，靜態(tài)功耗比前一代降低了50%，同時(shí)還能提高容量和系統性能。湯立人還提到，采用HP工藝對性能的提升顯得微不足道，而與功耗的大幅度增加相比，反而會(huì )使工程師在設計中把許多精力放在功耗和散熱問(wèn)題上。

　　工藝僅是總體性能和功耗平衡取舍的一個(gè)方面，功耗與性能與眾不同的出色表現則依賴(lài)于各種架構創(chuàng )新。HPL工藝的“成效”在于降低靜態(tài)功耗，賽靈思還利用架構的創(chuàng )新如智能時(shí)鐘門(mén)控制、可重配置技術(shù)等降低動(dòng)態(tài)功耗約50%。記者在現場(chǎng)演示中看到，賽靈思6系列產(chǎn)品中Virtex-6的靜態(tài)功耗為1.5瓦，動(dòng)態(tài)功耗為3.5瓦;而Kintex-7的靜態(tài)功耗為0.5瓦，動(dòng)態(tài)功耗僅為2瓦。

　　并且，賽靈思28nm產(chǎn)品的另一創(chuàng )新之處還在于7系列3個(gè)子系列高端Virtex-7、中端Kintex-7和低端Artix-7都采用了統一架構。湯立人介紹，針對如邏輯結構、DSP切片、時(shí)鐘技術(shù)等在內的構建塊，Xilinx的獨特列狀技術(shù)可進(jìn)行不同比例的組合創(chuàng )建4個(gè)全新的FPGA系統，客戶(hù)因而能減少此系列的移植工作，從而降低開(kāi)發(fā)及部署成本。這個(gè)統一的架構基于Virtex-6，3個(gè)子系列高中低端之間的轉換可以隨時(shí)進(jìn)行，設計方案可根據需要收放。

　　此外，高端Virtex-7部分器件還將采用與TSMC共同開(kāi)發(fā)的堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)。這一創(chuàng )新技術(shù)采用了先進(jìn)的3D封裝方法，以更小的芯片實(shí)現了同等甚至超越了最大單芯片FPGA所能提供的帶寬和容量。

　　從應用來(lái)看，賽靈思的7系列產(chǎn)品將FPGA推向了更廣闊的市場(chǎng)，進(jìn)一步搶奪了ASIC的地盤(pán)。例如，Artix-7除了能適應便攜超聲波設備的需求，還能滿(mǎn)足數碼單反相機的應用;同樣，Kintex-7和Virtex-7也將FPGA的應用疆域再度拓寬：Kintex-7系列除了滿(mǎn)足大批量10G有線(xiàn)通信設備所需性能，支持LTE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署，還能滿(mǎn)足3D顯示器的功耗和成本要求、下一代廣播視頻點(diǎn)播系統的性能和帶寬;Virtex-7器件除了支持新一代有線(xiàn)接入設備，還支持高級雷達系統和高性能計算機系統。

　　目前首批已經(jīng)開(kāi)始交付樣品芯片的型號為Kintex-7 K325T。Kintex-7器件將同賽靈思ISE 13設計套件、AMBA 4高級可擴展接口(AXI)總線(xiàn)協(xié)議兼容IP和目標參考設計一并提供。湯立人表示，通過(guò)兼容行業(yè)標準，7系列即插即用的IP讓工程師的開(kāi)發(fā)過(guò)程更快。Virtex-7 FPGA 485T和容量高達200萬(wàn)個(gè)邏輯單元的2000T樣片將分別在今年的8月份和11月份開(kāi)始發(fā)貨，Artix-7 FPGA樣片將會(huì )在2012年第一季度開(kāi)始發(fā)貨。

　　尋求新變革

　　FPGA一再仰仗新的工藝節點(diǎn)實(shí)現性能的提升，從90nm、65nm、40nm再到28nm的“存活周期”不斷縮短，28nm時(shí)代的到來(lái)是否預示著(zhù)20nm在“招手”?賽靈思給了我們一個(gè)意想不到的答案。

　　湯立人表示，一是在28nm之后的工藝節點(diǎn)，存儲和模擬部分將更難實(shí)現，因此軟件變得更加重要，賽靈思通過(guò)收購AUTOESL設計公司，加速FPGA設計由組件級的HDL語(yǔ)言上升到C、C++和MATLAB等系統級語(yǔ)言，顯著(zhù)降低FPGA的設計門(mén)檻，并讓軟件工程師也能盡快掌握FPGA的硬件設計流程。

　　二是FPGA也會(huì )向其他方向發(fā)展，比如與ARM核集成拓展嵌入式應用市場(chǎng)。賽靈思最近推出的將FPGA與ARM核集成的可擴展平臺“Zynq系列”即是一例。賽靈思亞太區市場(chǎng)與應用總監張宇清介紹，FPGA跟ARM的連接架構專(zhuān)門(mén)采用處理器與FPGA定制的標準架構，這一架構的優(yōu)勢體現在可實(shí)現3000個(gè)內部互連，帶寬可達到100Gbps。Zynq系列還帶了760個(gè)DSP引擎，性能超過(guò)910GMAC。以前FPGA是硬件可編程，有了Zynq系列，可通過(guò)ARM實(shí)現軟件編程，因而Zynq系列將可廣泛應用于智能視頻監控、汽車(chē)駕駛員輔助系統、工控等2014年市場(chǎng)總值達127億美元之巨的嵌入式市場(chǎng)。張宇清還指出，嵌入式市場(chǎng)對FPGA來(lái)說(shuō)是藍海市場(chǎng)，Zynq系列將拓寬FPGA在嵌入式市場(chǎng)的應用，為FPGA未來(lái)的成長(cháng)發(fā)揮更大的推動(dòng)作用。