后28nm時(shí)代FPGA尋求架構(gòu)軟件變革

　　FPGA可謂摩爾定律最堅(jiān)定不移的“執(zhí)行者”，FPGA供應(yīng)商爭搶技術(shù)制高點(diǎn)的戰(zhàn)火蔓延到了28nm工藝節(jié)點(diǎn)一年有余，進(jìn)程亦不斷“提速”。賽靈思(Xilinx)于近日公開展示了已經(jīng)開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(yīng)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(zhí)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?yàn)锳ltera認(rèn)為客戶更需要高性能，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(qū)執(zhí)行總裁湯立人表示，低功耗是設(shè)計(jì)趨勢，單純追求高性能已無意義。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(tǒng)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(shè)計(jì)中把許多精力放在功耗和散熱問題上。

　　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(xiàn)則依賴于各種架構(gòu)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(gòu)的創(chuàng)新如智能時(shí)鐘門控制、可重配置技術(shù)等降低動(dòng)態(tài)功耗約50%。記者在現(xiàn)場演示中看到，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(tǒng)一架構(gòu)。湯立人介紹，針對如邏輯結(jié)構(gòu)、DSP切片、時(shí)鐘技術(shù)等在內(nèi)的構(gòu)建塊，Xilinx的獨(dú)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(tǒng)，客戶因而能減少此系列的移植工作，從而降低開發(fā)及部署成本。這個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)基于Virtex-6，3個(gè)子系列高中低端之間的轉(zhuǎn)換可以隨時(shí)進(jìn)行，設(shè)計(jì)方案可根據(jù)需要收放。

　　此外，高端Virtex-7部分器件還將采用與TSMC共同開發(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(xiàn)了同等甚至超越了最大單芯片F(xiàn)PGA所能提供的帶寬和容量。

　　從應(yīng)用來看，賽靈思的7系列產(chǎn)品將FPGA推向了更廣闊的市場，進(jìn)一步搶奪了ASIC的地盤。例如，Artix-7除了能適應(yīng)便攜超聲波設(shè)備的需求，還能滿足數(shù)碼單反相機(jī)的應(yīng)用;同樣，Kintex-7和Virtex-7也將FPGA的應(yīng)用疆域再度拓寬：Kintex-7系列除了滿足大批量10G有線通信設(shè)備所需性能，支持LTE無線網(wǎng)絡(luò)部署，還能滿足3D顯示器的功耗和成本要求、下一代廣播視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的性能和帶寬;Virtex-7器件除了支持新一代有線接入設(shè)備，還支持高級雷達(dá)系統(tǒng)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　目前首批已經(jīng)開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(shè)計(jì)套件、AMBA 4高級可擴(kuò)展接口(AXI)總線協(xié)議兼容IP和目標(biāo)參考設(shè)計(jì)一并提供。湯立人表示，通過兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，7系列即插即用的IP讓工程師的開發(fā)過程更快。Virtex-7 FPGA 485T和容量高達(dá)200萬個(gè)邏輯單元的2000T樣片將分別在今年的8月份和11月份開始發(fā)貨，Artix-7 FPGA樣片將會(huì)在2012年第一季度開始發(fā)貨。

　　尋求新變革

　　FPGA一再仰仗新的工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)性能的提升，從90nm、65nm、40nm再到28nm的“存活周期”不斷縮短，28nm時(shí)代的到來是否預(yù)示著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(jié)點(diǎn)，存儲和模擬部分將更難實(shí)現(xiàn)，因此軟件變得更加重要，賽靈思通過收購AUTOESL設(shè)計(jì)公司，加速FPGA設(shè)計(jì)由組件級的HDL語言上升到C、C++和MATLAB等系統(tǒng)級語言，顯著降低FPGA的設(shè)計(jì)門檻，并讓軟件工程師也能盡快掌握FPGA的硬件設(shè)計(jì)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(yīng)用市場。賽靈思最近推出的將FPGA與ARM核集成的可擴(kuò)展平臺“Zynq系列”即是一例。賽靈思亞太區(qū)市場與應(yīng)用總監(jiān)張宇清介紹，F(xiàn)PGA跟ARM的連接架構(gòu)專門采用處理器與FPGA定制的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，這一架構(gòu)的優(yōu)勢體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)3000個(gè)內(nèi)部互連，帶寬可達(dá)到100Gbps。Zynq系列還帶了760個(gè)DSP引擎，性能超過910GMAC。以前FPGA是硬件可編程，有了Zynq系列，可通過ARM實(shí)現(xiàn)軟件編程，因而Zynq系列將可廣泛應(yīng)用于智能視頻監(jiān)控、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)、工控等2014年市場總值達(dá)127億美元之巨的嵌入式市場。張宇清還指出，嵌入式市場對FPGA來說是藍(lán)海市場，Zynq系列將拓寬FPGA在嵌入式市場的應(yīng)用，為FPGA未來的成長發(fā)揮更大的推動(dòng)作用。