賽靈思 28 納米技術及架構發(fā)布背景

 　　賽靈思公司今天所發(fā)布的消息“賽靈思采用28 納米高性能、低功耗工藝加速平臺開發(fā)，推進可編程勢在必行”凸顯了功耗在目前系統(tǒng)設計中所起的重要作用，也充分顯示了在賽靈思考慮將 28 納米工藝技術作為其新一代 FPGA 系列產(chǎn)品的技術選擇時， 功耗如何在一定程度上影響到了最終的決策。。

　　眾所周知，FPGA 在摩爾定律作用下不斷發(fā)展，每一代新產(chǎn)品的推出，都提高了系統(tǒng)功能，加強了計算能力。不過，也存在著自相矛盾的地方。隨著 FPGA 按照摩爾定律不斷發(fā)展，設計和構建 FPGA 的工程師們遇到了半導體物理屬性所造成的挑戰(zhàn)——構建更小型晶體管所需的門電介質即便在非工作狀態(tài)下也更容易出現(xiàn)漏電流問題。這種漏電流或者說靜態(tài)功耗是芯片總功耗的一部分。如果不在硅晶體管層面上采取措施，在單個器件上集成更多晶體管的優(yōu)勢就會受到影響。如果漏電流不斷提高，功耗也會增加，從而就會抵消 FPGA 所有性能提升和密度增加的優(yōu)勢，新一代工藝節(jié)點技術的采用也就毫無意義了。

　　客戶為了達到綠色技術要求，不惜一切努力降低功耗，在此關鍵時刻，F(xiàn)PGA 產(chǎn)業(yè)轉向采用 28 納米工藝技術。與此同時，在研發(fā)預算日趨緊張的情況下，幾乎大多數(shù)大批量應用的 ASIC 開發(fā)成本超標，再加上新一代系統(tǒng)的 ASSP 缺乏投資，但 FPGA 只有滿足低功耗和高性能的要求，才能成為片上系統(tǒng) (SoC) 開發(fā)的理想選擇。

　　客戶向賽靈思反映，他們在單個 FPGA 中集成更多功能時，考慮的重要因素就是PCB(印制電路板)級的系統(tǒng)功耗，只有這個問題解決了，才能把此前在大型ASIC或多個 ASSP 上實施的應用轉向 FPGA 。降低 FPGA 功耗就相當于簡化電源系統(tǒng)要求，降低材料清單 (BOM) 成本，因為低功耗 FPGA 減少了對冷卻風扇、散熱片及其它電源管理技術的依賴，有助于保持系統(tǒng)冷卻。如同所有半導體一樣，降低 FPGA 中的晶片溫度，自然也會提高器件的可靠性。

　　目前，ASIC 和 ASSP 由于開發(fā)及加工成本較高，迅速被人們所棄用。同時，半導體新創(chuàng)公司缺乏風險資本融資，而知名的芯片制造商在新型 ASSP 投資方面又比較謹慎保守。在此情況下，設計人員幾乎無處獲得可替代的芯片來滿足其需求。

　　賽靈思決定在 28 納米工藝技術節(jié)點上采用高介電層/金屬閘 (high-k metal gate)、高性能、低功耗工藝，并結合采用統(tǒng)一的可擴展的架構與全新增強型工具，幫助客戶推出既不超出客戶功耗預算，同時又能提供更高功能的器件，以便在與 ASIC 和 ASSP 的競爭中脫穎而出。為了高效推出相關技術，賽靈思與全球數(shù)以百計的客戶進行了積極溝通，以定義出高端 FPGA 產(chǎn)品——不僅完美集成收發(fā)器、存儲器、DSP、處理器和高速 I/O，而且能以最低的成本確保實現(xiàn)最低功耗與最高性能。

　　通過工藝技術和工具創(chuàng)新降低功耗

　　高介電層/金屬閘 (high-k metal gate)、高性能、低功耗工藝相對于前代技術而言，突破了傳統(tǒng)上的擴展性壁壘，無需復雜的處理步驟或性能折衷就能實現(xiàn)顯著的節(jié)能優(yōu)勢。賽靈思選擇具有低漏電流特性的高介電層/金屬閘衍生技術，使產(chǎn)品的靜態(tài)功耗相對于采用標準高性能工藝技術的產(chǎn)品而言減少了一半。

　　每代新工藝的動態(tài)功耗通常會不斷降低。作為總功耗的一部分，動態(tài)功耗受電容充電、供電電壓和時鐘頻率的影響。動態(tài)功耗的降低意味著在 FPGA的電力預算范圍內(nèi)可提升最大時鐘頻率，同時幾何尺寸的縮小能夠支持更多晶體管和電路。為了進一步降低功耗，賽靈思還在其ISE®設計套件中整合了創(chuàng)新時鐘門控和管理技術，可將動態(tài)功耗降低 20%。設計人員還能通過采用新的簡化設計流程中提供的第五代局部重配置技術設計，以及對前代 FPGA 架構的改進進一步管理功耗。

　　ISE 設計套件提供四種特定領域的設計配置：邏輯版本、DSP 版本、嵌入式版本以及系統(tǒng)版本，為異常多樣化的 FPGA 用戶社區(qū)了帶來了精湛的 FPGA 設計流程。每個版本在功能強大而又簡便易用的工具套件 (tool flow) 中整合了完整的特定領域方法，包括IP, 使設計人員能夠致力于創(chuàng)建獨特差異化的增值產(chǎn)品應用。通過對動態(tài)功耗優(yōu)化以及部分重配置流程的最新改進，該設計套件與賽靈思今天推出的FPGA 技術可謂絕配。

　　統(tǒng)一架構支持設計和IP重復利用

　　賽靈思還通過統(tǒng)一 ASMBL™ 架構提高客戶及整個生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力。這是第四代 ASMBL 架構，也是90 納米 Virtex®-4 系列后首度推出的創(chuàng)新型、業(yè)經(jīng)驗證的柱狀技術。

　　統(tǒng)一是指推進同代產(chǎn)品的 LUT 結構、Block RAM 和 DSP 切片等常見 FPGA 架構特性的過程。統(tǒng)一架構可簡化設計向新一代器件或者在新一代系列器件間的移植，使系統(tǒng)制造商能充分利用其 IP 開發(fā)投資，并能快速開發(fā)新一代系統(tǒng)，擴展產(chǎn)品系列，滿足鄰近市場的需求。

　　統(tǒng)一架構還能以更低的 IP 開發(fā)成本支持響應速度更快、更龐大的生態(tài)系統(tǒng)，以及實現(xiàn)賽靈思的“可插接 IP ”愿景。由于 IP 重復利用是降低系統(tǒng)開發(fā)成本、縮短開發(fā)時間的主要因素，因此這種創(chuàng)新型即插即用方案意味著賽靈思及其生態(tài)合作伙伴共同開發(fā)的 IP技術變得更加簡便易用，從而促進了賽靈思通過目標設計平臺加速創(chuàng)新、降低成本的戰(zhàn)略目標。與 ARM 開展新一代 AMBA™ 互連規(guī)范協(xié)作以擴展 FPGA 實施是可插接 IP 戰(zhàn)略的關鍵組成部分。AMBA 互連技術的采用在 IP 模塊互連、系統(tǒng)構建(不管系統(tǒng)是否采用處理器、還是采用外部處理器)方面給軟硬件設計人員帶來了業(yè)經(jīng)驗證、廣泛采用的標準。

　　展望新型應用和超高端 FPGA

　　作為其產(chǎn)品規(guī)劃的一部分，賽靈思為收集和分析不同市場領域的客戶反饋，投入了大量資源和時間。通過上述工作，賽靈思定義了可滿足特定市場需求，且便于創(chuàng)新的 FPGA 系列。特別是隨著賽靈思推出超高端 FPGA 之后，客戶能推出此前所無法企及的新功能。

　　由于相對于競爭性技術降低了總功耗，并采用統(tǒng)一可擴展的架構，賽靈思能夠打造出在邏輯、DSP 以及內(nèi)存模塊的數(shù)量和性能方面不斷突破 FPGA 技術極限的器件。這種超高端 FPGA 可取代 ASIC 和多芯片組 ASSP 解決方案，支持光纖網(wǎng)絡中的多個100G 包處理或集成成幀器/映射器實施等應用。對仍然適合采用ASIC來開發(fā)的系統(tǒng)而言，超高端 FPGA 則能幫助設計人員在原型設計和仿真階段減少器件的用量。這不僅有助于降低成本，而且還能減少互連芯片的數(shù)量，降低設計復雜性。

　　最新 28 納米 FPGA 將支持眾多應用，涵蓋從專為低成本大規(guī)模市場優(yōu)化的產(chǎn)品，乃至超高端產(chǎn)品。放眼終端市場及其發(fā)展趨勢，我們可以看到賽靈思正采取切實措施，在保證低功耗的同時不斷推出業(yè)界領先的 FPGA 功能。

　　· 無線通信——該產(chǎn)業(yè)正面臨著降低成本并擴展移動網(wǎng)絡的雙重壓力。賽靈思可以通過28 納米 FPGA來支持網(wǎng)絡擴展。28 納米 FPGA能夠以低成本FPGA級的價位提供高端 FPGA 級的功能。由于遠程射頻頭依賴對流冷卻，正面臨著散熱管理難題。賽靈思28 納米 FPGA支持高級算法，能夠提高低功率 FPGA 的功率放大器效率，從而使制造商能夠創(chuàng)建綠色基站并降低運營開支。更高的密度與性能可支持 LTE 數(shù)據(jù)傳輸速率以及復雜的多輸入與多輸出天線，這樣也可擴充網(wǎng)絡容量。在客戶從宏單元向微單元甚至微微單元基站擴展時，統(tǒng)一架構將支持設計轉移。

　　· 有線通信——為了解決日益擁擠的帶寬問題，不斷擴展有線基礎設施，這也推動著100G(以及多個100G)網(wǎng)絡匯聚發(fā)展。這種新型網(wǎng)絡設備需要高性能網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理能力，以實現(xiàn)有效的包處理、流量管理、服務級別協(xié)議支持以及安全性等。針對 100+G 包處理而言，主要性能瓶頸在于高速緩沖存儲器接口。賽靈思 28 納米 FPGA 可以為低成本 DDR3 存儲器提供靈活、高帶寬接口。隨著功耗的降低以及密度的提高，網(wǎng)絡設備制造商能夠提供全新的高帶寬線路卡。該線路卡可在現(xiàn)有的機架、電力預算以及冷卻能力范圍內(nèi)承載更高流量。隨著非重復性工程 (NRE) 成本的增加，對 ASSP 業(yè)務模式提出了更高的容量要求。在此情況下，新型超高端 FPGA 無疑是高端包處理器更理想的選擇。

　　· 航空與國防——降低散熱有助于提升高性能計算、電子作戰(zhàn)和雷達系統(tǒng)的性能。高集成度與低功耗的完美組合在減小尺寸、重量、功耗和成本((SWAP-C))方面都有優(yōu)勢，能滿足移動/手持無線電以及通信基礎設施的需求，也有助于加速取代雷達等應用中的 ASIC 產(chǎn)品。同時，統(tǒng)一架構提高了設計的可擴展性，能滿足從手持無線電到車載無線電乃至航空無線電等各種應用的需求。

　　音頻/視頻廣播—— 隨著線纜提供商采用 Edge QAM(正交振幅調(diào)制)技術來來支持視頻到家服務，賽靈思 28 納米 FPGA 為制造商提供了高度的硬件靈活性，能夠快速響應不斷變化的標準要求。數(shù)字視頻技術的廣泛采用要求網(wǎng)絡能夠傳輸更多內(nèi)容：分辨率更高的攝像頭正取代膠片的地位。3D 視頻技術使攝像頭數(shù)量翻番，進而推動所需視頻數(shù)據(jù)帶寬翻了一番。制造商需要靈活的硬件來支持 10G-SDI、12G-SDI 和 DisplayPort 等各種不同的新標準。電池供電的數(shù)碼攝像機以及支架貼裝的視頻處理和交換設備均需要降低功耗，以解決散熱管理這一難題。超高端 FPGA 可提供處理 2k x 4k 和 8k x 16k 標準視頻所需的密度、性能以及高存儲器緩沖帶寬。統(tǒng)一架構則能提供設計可擴展性，滿足不同終端產(chǎn)品的性價比要求。

　　工業(yè)、科學與醫(yī)療——綠色企業(yè)尤其強調(diào)比如成像、CT 掃描以及 MRI 等系統(tǒng)的低功耗。便攜式診斷、監(jiān)測及治療 (DMT) 等醫(yī)療設備提倡降低成本，縮減尺寸，并降低靜態(tài)功耗/總功耗，確保電池供電情況下能長時間工作。制造商希望不斷豐富其產(chǎn)品系列，以滿足新興市場的經(jīng)濟要求。他們需要簡化設計方案，用有限的資源實現(xiàn)更多功能。賽靈思的小型低功耗 28 納米 FPGA有助于內(nèi)窺鏡、CT 掃描模擬前端等 DMT 設備的發(fā)展。超高端 FPGA 可提供 CT 成像和 3D 渲染所需的復雜處理功能。統(tǒng)一架構簡化了設計轉移，使制造商能根據(jù)新興市場的經(jīng)濟情況豐富產(chǎn)品系列，并用有限資源實現(xiàn)更多功能。

　　 車載信息娛樂——系統(tǒng)設計人員需要能夠支持高計算性能和新標準的低成本、低功耗器件，以用于車道偏離、防撞、倒車后視攝像頭及其它數(shù)字應用。低功耗可優(yōu)化汽車音響主機的散熱管理，而靈活的高速 I/O 則能支持不斷改進的汽車通信接口。

　　賽靈思于2009 年推出目標設計平臺戰(zhàn)略并奠定了牢固的基礎，而 28 納米工藝節(jié)點更是帶來了更多的新機會。賽靈思的新型架構平臺有助于公司進一步拓展 FPGA、ASSP 和 ASIC 市場。實踐證明，賽靈思的 65 納米 Virtex-5 系列大獲成功，發(fā)展極快，銷售額輕松突破了 1 億美元，正成為史上最寬泛的 FPGA 系列產(chǎn)品。賽靈思的 90 納米Spartan-3 系列也實現(xiàn)了最高紀錄銷量，而 40 納米的 Virtex-6 和 45 納米的 Spartan-6 系列產(chǎn)品自一年前推出以來也呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。賽靈思的目標設計平臺戰(zhàn)略為越來越多希望尋找 ASIC 和 ASSP 替代技術的軟硬件設計人員提供了 FPGA 技術。賽靈思預計基于 28 納米工藝技術的可編程平臺，將幫助客戶更快趕上可編程技術勢在必行的發(fā)展趨勢。