本刊記者 薛士然

16 nm FinFET+技術(shù)帶來(lái)FPGA的巨大變革

本刊記者 薛士然

Xilinx的20 nm FPGA器件于2014年12月底實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，僅僅兩個(gè)月之后，Xilinx宣布推出了其 16 nm UltraScale+系列FPGA、3D IC和MPSoC，憑借新型存儲(chǔ)器、3D-on-3D和多處理SoC技術(shù)，這一系列產(chǎn)品將為客戶帶來(lái)更多的價(jià)值。

據(jù)Xilinx公司全球高級(jí)副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人介紹，此次推出的16 nm UltraScale+系列產(chǎn)品主要面向五大應(yīng)用：LTE Advanced、早期5 G無(wú)線、Tb級(jí)有線通信、汽車駕駛員輔助系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，這五大應(yīng)用都需要較高的性能功耗比、集成性與智能化和保密性、安全性與可靠性。

UltraScale+中的諸多首創(chuàng)

UltraScale+系列采用臺(tái)積電的16 nm FinFET+技術(shù)，故而對(duì)晶體管的漏電流控制得比較好，所以性能提高很多，單就平面提升而言，UltraScale+FPGA系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)性能功耗比就提高了2倍，MPSoC系統(tǒng)級(jí)性能功耗比提升了約5倍。

據(jù)湯立人介紹，一個(gè)20 nm的Xilinx SoC上就已經(jīng)集成了190億個(gè)晶體管，進(jìn)入到16 nm制程，高集成度已經(jīng)無(wú)需置疑，而且UltraScale+還采用了3D-on-3D技術(shù)，即將3D晶體管和3D IC相結(jié)合，這在業(yè)內(nèi)還是首創(chuàng)。Fin-FET相比平面晶體管實(shí)現(xiàn)的性能功耗比已經(jīng)是非線性提升了，再加之3D IC相比單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)集成度和單位功耗寬帶也是非線性提升，兩個(gè)非線性提升疊加，得到的性能提升就是非?？捎^的，而且同時(shí)還降低了成本。

智能化的標(biāo)簽從UltraScale+開始就出現(xiàn)在了FPGA上，Xilinx的SmartConnect是一種新型的FPGA互聯(lián)優(yōu)化技術(shù)。UltraScale架構(gòu)通過(guò)重新架構(gòu)布線、時(shí)鐘和邏輯結(jié)構(gòu)能夠解決芯片級(jí)的互聯(lián)瓶頸，SmartConnect則通過(guò)應(yīng)用互聯(lián)拓?fù)鋬?yōu)化滿足特定設(shè)計(jì)的吞吐量和時(shí)延要求，同時(shí)還可以縮小互聯(lián)邏輯面積。SmartConnect還能智能連接不同接口類型，能夠根據(jù)特定應(yīng)用要求匹配合適的互聯(lián)方案。

在UltraScale+MPSoC中，Xilinx將應(yīng)用處理、實(shí)時(shí)處理、圖形處理、電源管理、存儲(chǔ)器、可編程邏輯器等模塊集成在一起。通過(guò)虛擬化支持可提供32位到64位的處理器可擴(kuò)展性，軟和硬引擎的結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、圖形/視頻處理，把波形和包處理與新一代互聯(lián)和存儲(chǔ)器、高級(jí)電源管理及其他技術(shù)增強(qiáng)功能相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同等級(jí)的安全性與可靠性。通過(guò)在MPSoC上部署UltraScale+FPGA技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)多處理，而且還實(shí)現(xiàn)了“為合適任務(wù)提供合適引擎”。其單獨(dú)的安全單元可以實(shí)現(xiàn)軍事級(jí)的安全解決方案，如安全啟動(dòng)、密鑰與庫(kù)管理和防破壞功能等，這都是設(shè)備間通信以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)要求。

UltraRAM這一新的存儲(chǔ)器技術(shù)的應(yīng)用，解決了影響FPGA和SoC系統(tǒng)性能和功耗的最大瓶頸之一。利用這項(xiàng)新技術(shù)能創(chuàng)建用于多種不同應(yīng)用場(chǎng)景的片上存儲(chǔ)器，包括深度數(shù)據(jù)包和視頻緩沖，實(shí)現(xiàn)可預(yù)見的時(shí)延和性能。工程師通過(guò)集成大量嵌入式存儲(chǔ)器與相關(guān)處理引擎，不僅能實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)性能功耗比，還可降低材料清單（BOM）成本。UltraRAM可以提供多種配置，容量最大可擴(kuò)展至432 Mb，這一技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于8K/4K的視頻應(yīng)用非常有意義。

工程師更關(guān)心16 nm以外的東西

Xilinx UltraScale+系列產(chǎn)品采用16 nm工藝制程，頗具有話題性，但是湯立人客觀地說(shuō)：“其實(shí)采用什么樣的工藝或者多么先進(jìn)的制程，這并不是工程師所關(guān)心的，他們只關(guān)心該如何來(lái)使用的問(wèn)題。”

湯立人表示，很多客戶原來(lái)是開發(fā)ASIC的，轉(zhuǎn)到開發(fā)FPGA還是有難度的，Xilinx非常了解這一點(diǎn)，因此使用Xilinx的產(chǎn)品做開發(fā)設(shè)計(jì)，公司會(huì)提供一個(gè)設(shè)計(jì)流程（即UltraFAST），工程師只需要按照流程一步一步開發(fā)就可以了，最后做出來(lái)的產(chǎn)品方案都是非常好的，而且Xilinx提供專門的開發(fā)工具Vivado，幫助客戶實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)。在軟件工具之上，還有一個(gè)應(yīng)用，會(huì)告訴工程師如何去做存儲(chǔ)，如何去處理數(shù)據(jù)，而且工程師開發(fā)的每一步都會(huì)有一個(gè)模擬測(cè)試和認(rèn)證，只有成功了才可以進(jìn)行下一步開發(fā)，避免發(fā)生前功盡棄的情況。

對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，他們拿到芯片做開發(fā)的時(shí)候，完全不需要考慮里面處理器之間是如何工作的、信號(hào)是如何跳轉(zhuǎn)的，因?yàn)檫@個(gè)芯片對(duì)工程師來(lái)說(shuō)完全是透明的，他們只需要使用Xilinx提供的工具進(jìn)行開發(fā)，這樣既降低了開發(fā)難度，又加快了開發(fā)速度。

湯立人還表示，采用16 nm的UltraScale+產(chǎn)品系列是應(yīng)用定制型的，公司未來(lái)會(huì)根據(jù)不同的應(yīng)用推出加入不同模塊的產(chǎn)品型號(hào)。在16 nm系列產(chǎn)品推出以后，28 nm、20 nm的產(chǎn)品還會(huì)繼續(xù)推廣，畢竟不同的應(yīng)用需要不同的產(chǎn)品來(lái)開發(fā)。

16 nm FPGA來(lái)了，你準(zhǔn)備好了嗎？