僅有16nm還不夠，Xilinx在下一代FPGA/SoC中加入多種猛料

　　2月底，Xilinx發(fā)布了下一代16nm產(chǎn)品特點(diǎn)的新聞：《Xilinx憑借新型存儲器、3D-on-3D 和多處理SoC技術(shù)在16nm繼續遙遙領(lǐng)先》(http://dyxdggzs.com/article/270122.htm)，大意是說(shuō)，Xilinx新的16nm FPGA和SoC中，將會(huì )采用新型存儲器UltraRAM, 3D晶體管(FinFET)和3D封裝，Zynq會(huì )出多處理器產(chǎn)品MPSoC，因此繼28nm和20nm之后，繼續在行業(yè)中保持領(lǐng)先，打破了業(yè)內這樣的規則：Xilinx和競爭對手在工藝上交替領(lǐng)先。

　　圖 Xilinx 16nm產(chǎn)品具備的主要功能

　　為何此時(shí)宣布2年后的新產(chǎn)品?

　　人們不免產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)，2014年12月，Xilinx的20nm芯片剛剛量產(chǎn)。為何Xilinx又如此之快地宣布兩年后將會(huì )量產(chǎn)的16nm計劃?答案是：你懂的!Xilinx的競爭對手Altera二三年年前已宣布和Intel進(jìn)行戰略合作，Altera的14nm 3D(Trigate)芯片將由Intel代工。當時(shí)Xilinx的代工廠(chǎng)——臺積電的技術(shù)(16FF)還無(wú)法和Intel匹敵。這次，代工廠(chǎng)臺積電推出了16FF+新工藝，Xilinx的腰板一下子硬了。

　　當然，僅僅靠代工廠(chǎng)也顯得太low了，在上一次20nm+UltraScale組合的成功基礎上，Xilinx又推出了前述的多種猛料，并拋出了16nm的UltraScale+、SmartConnect等料。

　　另外，Xilinx的銷(xiāo)售策略也改變了，多種制程的產(chǎn)品將在市場(chǎng)上共存，這也是Xilinx不吝公布16nm的下一代產(chǎn)品。Xilinx公司全球高級副總裁兼亞太區執行總裁湯立人（下圖）稱(chēng)，由于16nm產(chǎn)品太復雜了，不是所有應用都會(huì )用到，因此不會(huì )對20nm、28nm的產(chǎn)品產(chǎn)生沖擊，各種制程的產(chǎn)品會(huì )在市場(chǎng)共存，以滿(mǎn)足復雜度不同的各種應用。但在過(guò)去，從90nm推出到65nm的時(shí)候，Xilinx就不去賣(mài)90nm了;當40nm出來(lái)后，就不推65nm了。

　　猛料1：3D-on-3D

　　16nm的3D-on-3D，即3D晶體管(FinFET)和3D封裝，據稱(chēng)是在半導體公司里第一家實(shí)現的。

　　其實(shí)早在28nm時(shí)，Xilinx就已推出了3D封裝。湯立人稱(chēng)3D IC受到很多做ASIC仿真的通信大公司的歡迎。

　　Xilinx在20nm時(shí)的3D IC實(shí)現了400萬(wàn)邏輯單元，共有190億個(gè)晶體管，價(jià)格十幾萬(wàn)美元，聽(tīng)起來(lái)好像貴得嚇人，但是如果換成做ASIC，數千萬(wàn)美元才能搞定，而且ASIC不能修改，風(fēng)險非常大。

　　3D-on-3D的好處是集成度和成本。集成度提高不言而喻。從成本來(lái)說(shuō)，Xilinx可以做到更低的系統成本，做3D IC要比單芯片的3D便宜非常多。

　　FinFET主要靠臺積電的工藝搞定。

　　3D封裝最大的挑戰是散熱，尤其是中間那層的散熱問(wèn)題。市面上大部分3D堆疊封裝產(chǎn)品是存儲器，因為存儲器不是經(jīng)常存取的，耗能較少。但是FPGA/SoC由于要做運算，能耗較大。Xilinx的做法是，上下層是有效電路，這是晶體管要跑的，有功耗的，中間是金屬介質(zhì)層，主要用于連接信號，沒(méi)有晶體管，因此就沒(méi)有耗電和熱的問(wèn)題。(筆者注：由于中間層沒(méi)有晶體管，業(yè)界也有人認為這是2.5D封裝)。

　　猛料2：軟件成為UltraScale+的重要部分

　　UltraScale+有Virtex，Kintex和Zynq。工藝方面主要是3D-on-3D。

　　圖 UltraScale+產(chǎn)品組合及價(jià)值

　　此時(shí)，Xilinx更強調了Vivado和SDx(軟件定義的系列工具)軟件工具的作用。因為Xilinx的CEO Moshe Gavrielov過(guò)去是著(zhù)名的EDA(電子設計自動(dòng)化)公司——Cadence的副總，他改變了Xilinx的業(yè)務(wù)模式，想轉型成為EDA公司(筆者注：業(yè)界一些媒體評論認為)，因為工具是非常重要的，工程師要想成功地設計，應該完全靠工具，和硅芯片沒(méi)太大關(guān)系。理由是：現在FPGA越做越復雜，但主要還是硬件工程師用FPGA，軟件工程師做不了FPGA設計?，F在大學(xué)生很多喜歡做軟件工程師，硬件工程師越來(lái)越少。所以，Xilinx想要擴大市場(chǎng)，必須花很多功夫來(lái)吸引軟件工程師。為此，在北京，Xilinx前兩年研發(fā)了HLS，在某些應用中可以用C語(yǔ)言做FPGA設計。Xilinx也越來(lái)越多地提SDx方面的事情。

　　猛料3：UltraScale+使性能功耗比提高2~5倍

　　怎么達到2倍到5倍的系統性能呢?湯立人稱(chēng)，16nm加上3D 封裝和FinFET，而且嵌入了很多的存儲器(UltraRAM)，還有新一代的智能互聯(lián)(SmartConnect)。

　　在工藝上，Xilinx與臺積電合作，之前臺積電有16FF，16FF比Intel、三星的14nm差一點(diǎn)，后來(lái)臺積電又推出了16FF+，比16FF性能提高15%，在功耗方面降低大概30%，與Intel的14nm工藝相當。

　　一個(gè)產(chǎn)品成功與否，不光是看工藝的，與架構關(guān)系也很大。Xilinx第一個(gè)提出ASIC級的可編程架構UltraScale，16nm時(shí)將升級到UltraScale+。

　　猛料4：UltraRAM

　　UltraRAM是最新的存儲器技術(shù)，是臺積電與Xilinx共同開(kāi)發(fā)的。Xilinx認為該技術(shù)主要適合視頻應用。眾所周知，分布式RAM可以達到1000位，Block RAM可以達到數十Mb，如果應用需要比較大的存儲器的話(huà)，以前在UltraScale+之前，用戶(hù)需要很多外部存儲器，但是當布置大量的外部存儲器的時(shí)候，很多信號、性能等方面的問(wèn)題會(huì )出現，造成性能降低、功耗提高很多，因為要驅動(dòng)外部信號。

　　因此Xilinx的UltraScale+中加入了UltraRAM，使容量可以達到432Mb，可以做到深度數據包緩沖、視頻緩沖，這非常有用，因為在4K/8K視頻應用方面緩存至關(guān)重要。

　　在芯片內做RAM的好處是：信號不需要在芯片和芯片之間傳輸，所以無(wú)論在功耗、性能、成本上都會(huì )大大提升。

　　猛料5：SmartConnect降低功耗20%

　　另一個(gè)與20nm不同的地方在于，Xilinx現在的軟件可以根據延遲決定信號放在哪一種互聯(lián)里。因為Xilinx的產(chǎn)品有不同的互聯(lián)設計在里面。以前軟件沒(méi)有這么規律地去優(yōu)化究竟什么信號、block放在互聯(lián)里面，所以在性能和功耗方面不是最優(yōu)化的。

　　SmartConnect是Xilinx內部開(kāi)發(fā)的一個(gè)工具，可使功耗降低20%左右。

　　猛料6：多處理器MPSoC

　　Xilinx向嵌入式領(lǐng)域進(jìn)軍的代表作是Zynq，有兩個(gè)ARM Cortex-M9核，已經(jīng)應用于汽車(chē)、醫療、工業(yè)等方面。在國內，比如點(diǎn)鈔機會(huì )用很多這種技術(shù)，Zynq，不光是點(diǎn)，還可以驗證錢(qián)幣的真假，因為圖像處理功能很強。

　　現在Xilinx推出MPSoC——多處理SoC，即用合適的引擎來(lái)做合適的事。通過(guò)MPSoC可使性能提高5倍。

　　MPSoC的內容很多，有四核的A53，是64位核心。還有32位雙核的實(shí)時(shí)處理器，有非常多的圖形處理器(采用ARM Mail-400M系列)，還有視頻編/解碼器，因為4K/8K需要編解碼。以前是用軟的方法來(lái)做編解碼，現在是用硬的方法來(lái)做，性能會(huì )提升很多。加上Fabric，UltraRAM，還有混合模擬信號。

　　在這么多內容在里面，功耗很重要。如果不需要用所有功能，MPSoC可以將部分的電源功耗降低或者關(guān)閉。另外，要做到保密、安全、可靠。

　　16nm的應用展望

　　在無(wú)線(xiàn)方面，在4G/LTE方面Xilinx做得非常成功。接下來(lái)的16nm將做LTE-A，5G也快來(lái)了。在國內很大的一家客戶(hù)已經(jīng)在用20nm芯片了，他們也準備要用16nm做LTE-A。

　　4K/8K視頻需要很多緩沖方面的技術(shù)，現在20nm可能實(shí)現得不夠好。在數據中心，也可以有非常多的應用。在物聯(lián)網(wǎng)方面也是，機器到機器，所以在FPGA的應用非常非常多，OTN等方面。

　　Xilinx在通信方面，占了一大半的市場(chǎng)份額，其實(shí)Xilinx一大半都是在通信以外的應用，在汽車(chē)、醫療、工業(yè)、通信等方面，Xilinx一直會(huì )擴張。

　　出貨時(shí)間表

　　預計今年第二季度會(huì )推出16nm首款流片，提供給早期介入的客戶(hù)。2015年第四季度會(huì )有樣片。如果要量產(chǎn)的話(huà)還需要兩年左右的時(shí)間。

　　小結

　　Xilinx的16nm產(chǎn)品推出了一系列組合拳，邏輯、處理、存儲、模擬，高集成、低功耗，功能可謂強大。不僅如此，Xilinx還希望通過(guò)軟件工具來(lái)吸引更多的軟件人員，以達到這樣的境界：只管用工具來(lái)設計，至于是神馬芯片并不重要。