后28nm时代FPGA寻求架构软件变革

FPGA可谓摩尔定律最坚定不移的“执行者”，FPGA供应商争抢技术制高点的战火蔓延到了28nm工艺节点一年有余，进程亦不断“提速”。继1月底Altera正式宣布向市场付运28nm Stratix V系列FPGA工程样片后，赛灵思(Xilinx)也于近日公开展示了已经开始出货的全球第一批28nm Kintex-7 FPGA样片和评估板。

多重创新拓展应用

与28nm“接轨”并不如想象中的那么容易，高性能和低功耗必须有所取舍，而Altera和赛灵思的选择是“各执一端”。Altera 28nm系列产品采用两种不同的工艺——高端FPGA系列选用高性能(HP)工艺，中低端系列产品选择了低功耗(LP)工艺。因为Altera认为客户更需要高性能，并且高性能和低功耗不能同时兼顾。而赛灵思采用了最新的高K金属栅极(HKMG)高性能低功耗(HPL)工艺。赛灵思高级副总裁、亚太区执行总裁汤立人表示，低功耗是设计趋势，单纯追求高性能已无意义。HPL工艺能够有效地管理静态功耗，静态功耗比前一代降低了50%，同时还能提高容量和系统性能。汤立人还提到，采用HP工艺对性能的提升显得微不足道，而与功耗的大幅度增加相比，反而会使工程师在设计中把许多精力放在功耗和散热问题上。

工艺仅是总体性能和功耗平衡取舍的一个方面，功耗与性能与众不同的出色表现则依赖于各种架构创新。HPL工艺的“成效”在于降低静态功耗，赛灵思还利用架构的创新如智能时钟门控制、可重配置技术等降低动态功耗约50%。记者在现场演示中看到，赛灵思6系列产品中Virtex-6的静态功耗为1.5瓦，动态功耗为3.5瓦；而Kintex-7的静态功耗为0.5瓦，动态功耗仅为2瓦。

并且，赛灵思28nm产品的另一创新之处还在于7系列3个子系列高端Virtex-7、中端Kintex-7和低端Artix-7都采用了统一架构。汤立人介绍，针对如逻辑结构、DSP切片、时钟技术等在内的构建块，Xilinx的独特列状技术可进行不同比例的组合创建4个全新的FPGA系统，客户因而能减少此系列的移植工作，从而降低开发及部署成本。这个统一的架构基于Virtex-6，3个子系列高中低端之间的转换可以随时进行，设计方案可根据需要收放。

此外，高端Virtex-7部分器件还将采用与TSMC共同开发的堆叠硅片互联技术。这一创新技术采用了先进的3D封装方法，以更小的芯片实现了同等甚至超越了最大单芯片FPGA所能提供的带宽和容量。

从应用来看，赛灵思的7系列产品将FPGA推向了更广阔的市场，进一步抢夺了ASIC的地盘。例如，Artix-7除了能适应便携超声波设备的需求，还能满足数码单反相机的应用；同样，Kintex-7和Virtex-7也将FPGA的应用疆域再度拓宽：Kintex-7系列除了满足大批量10G有线通信设备所需性能，支持LTE无线网络部署，还能满足3D显示器的功耗和成本要求、下一代广播视频点播系统的性能和带宽；Virtex-7器件除了支持新一代有线接入设备，还支持高级雷达系统和高性能计算机系统。

目前首批已经开始交付样品芯片的型号为Kintex-7 K325T。Kintex-7器件将同赛灵思ISE 13设计套件、AMBA 4高级可扩展接口(AXI)总线协议兼容IP和目标参考设计一并提供。汤立人表示，通过兼容行业标准，7系列即插即用的IP让工程师的开发过程更快。Virtex-7 FPGA 485T和容量高达200万个逻辑单元的2000T样片将分别在今年的8月份和11月份开始发货，Artix-7 FPGA样片将会在2012年第一季度开始发货。

寻求新变革

FPGA一再仰仗新的工艺节点实现性能的提升，从90nm、65nm、40nm再到28nm的“存活周期”不断缩短，28nm时代的到来是否预示着20nm在“招手”？赛灵思给了我们一个意想不到的答案。

汤立人表示，一是在28nm之后的工艺节点，存储和模拟部分将更难实现，因此软件变得更加重要，赛灵思通过收购AUTOESL设计公司，加速FPGA设计由组件级的HDL语言上升到C、C++和MATLAB等系统级语言，显著降低FPGA的设计门槛，并让软件工程师也能尽快掌握FPGA的硬件设计流程。

二是FPGA也会向其他方向发展，比如与ARM核集成拓展嵌入式应用市场。赛灵思最近推出的将FPGA与ARM核集成的可扩展平台“Zynq系列”即是一例。赛灵思亚太区市场与应用总监张宇清介绍，FPGA跟ARM的连接架构专门采用处理器与FPGA定制的标准架构，这一架构的优势体现在可实现3000个内部互连，带宽可达到100Gbps。Zynq系列还带了760个DSP引擎，性能超过910GMAC。以前FPGA是硬件可编程，有了Zynq系列，可通过ARM实现软件编程，因而Zynq系列将可广泛应用于智能视频监控、汽车驾驶员辅助系统、工控等2014年市场总值达127亿美元之巨的嵌入式市场。张宇清还指出，嵌入式市场对FPGA来说是蓝海市场，Zynq系列将拓宽FPGA在嵌入式市场的应用，为FPGA未来的成长发挥更大的推动作用。