賽靈思 28 納米技術(shù)及架構(gòu)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(shè)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(shù)作為其新一代 FPGA 系列產(chǎn)品的技術(shù)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(shè)計和構(gòu)建 FPGA 的工程師們遇到了半導(dǎo)體物理屬性所造成的挑戰(zhàn)——構(gòu)建更小型晶體管所需的門電介質(zhì)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(shù)的采用也就毫無意義了。

　　客戶為了達到綠色技術(shù)要求，不惜一切努力降低功耗，在此關(guān)鍵時刻，F(xiàn)PGA 產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向采用 28 納米工藝技術(shù)。與此同時，在研發(fā)預(yù)算日趨緊張的情況下，幾乎大多數(shù)大批量應(yīng)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(yīng)用轉(zhuǎn)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(shù)的依賴，有助于保持系統(tǒng)冷卻。如同所有半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(shù)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(jié)合采用統(tǒng)一的可擴展的架構(gòu)與全新增強型工具，幫助客戶推出既不超出客戶功耗預(yù)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(guān)技術(shù)，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(shù)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(shù)而言，突破了傳統(tǒng)上的擴展性壁壘，無需復(fù)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(shù)，使產(chǎn)品的靜態(tài)功耗相對于采用標準高性能工藝技術(shù)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(yù)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(shè)計套件中整合了創(chuàng)新時鐘門控和管理技術(shù)，可將動態(tài)功耗降低 20%。設(shè)計人員還能通過采用新的簡化設(shè)計流程中提供的第五代局部重配置技術(shù)設(shè)計，以及對前代 FPGA 架構(gòu)的改進進一步管理功耗。

　　ISE 設(shè)計套件提供四種特定領(lǐng)域的設(shè)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(shè)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(lǐng)域方法，包括IP, 使設(shè)計人員能夠致力于創(chuàng)建獨特差異化的增值產(chǎn)品應(yīng)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(shè)計套件與賽靈思今天推出的FPGA 技術(shù)可謂絕配。

　　統(tǒng)一架構(gòu)支持設(shè)計和IP重復(fù)利用

　　賽靈思還通過統(tǒng)一 ASMBL™ 架構(gòu)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(gòu)，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(shù)。

　　統(tǒng)一是指推進同代產(chǎn)品的 LUT 結(jié)構(gòu)、Block RAM 和 DSP 切片等常見 FPGA 架構(gòu)特性的過程。統(tǒng)一架構(gòu)可簡化設(shè)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(gòu)還能以更低的 IP 開發(fā)成本支持響應(yīng)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(fù)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(shù)變得更加簡便易用，從而促進了賽靈思通過目標設(shè)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(guān)鍵組成部分。AMBA 互連技術(shù)的采用在 IP 模塊互連、系統(tǒng)構(gòu)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(shè)計人員帶來了業(yè)經(jīng)驗證、廣泛采用的標準。

　　展望新型應(yīng)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(lǐng)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(shù)降低了總功耗，并采用統(tǒng)一可擴展的架構(gòu)，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(shù)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(luò)中的多個100G 包處理或集成成幀器/映射器實施等應(yīng)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(shè)計人員在原型設(shè)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(shè)計復(fù)雜性。

　　最新 28 納米 FPGA 將支持眾多應(yīng)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(lǐng)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(luò)的雙重壓力。賽靈思可以通過28 納米 FPGA來支持網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜的多輸入與多輸出天線，這樣也可擴充網(wǎng)絡(luò)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(gòu)將支持設(shè)計轉(zhuǎn)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(chǔ)設(shè)施，這也推動著100G(以及多個100G)網(wǎng)絡(luò)匯聚發(fā)展。這種新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要高性能網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，以實現(xiàn)有效的包處理、流量管理、服務(wù)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(luò)設(shè)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(yù)算以及冷卻能力范圍內(nèi)承載更高流量。隨著非重復(fù)性工程 (NRE) 成本的增加，對 ASSP 業(yè)務(wù)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(chǔ)設(shè)施的需求，也有助于加速取代雷達等應(yīng)用中的 ASIC 產(chǎn)品。同時，統(tǒng)一架構(gòu)提高了設(shè)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(yīng)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(shù)來來支持視頻到家服務(wù)，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(yīng)不斷變化的標準要求。數(shù)字視頻技術(shù)的廣泛采用要求網(wǎng)絡(luò)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(shù)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(shè)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(gòu)則能提供設(shè)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(xué)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(shè)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(shè)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(shè)備的發(fā)展。超高端 FPGA 可提供 CT 成像和 3D 渲染所需的復(fù)雜處理功能。統(tǒng)一架構(gòu)簡化了設(shè)計轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)計平臺戰(zhàn)略并奠定了牢固的基礎(chǔ)，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(gòu)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(shè)計平臺戰(zhàn)略為越來越多希望尋找 ASIC 和 ASSP 替代技術(shù)的軟硬件設(shè)計人員提供了 FPGA 技術(shù)。賽靈思預(yù)計基于 28 納米工藝技術(shù)的可編程平臺，將幫助客戶更快趕上可編程技術(shù)勢在必行的發(fā)展趨勢。