肉搏開(kāi)始了！賽靈思28nm 7系列FPGA加速取代ASIC！

　　如果把FPGA與ASIC之間的競(jìng)爭(zhēng)看成一場(chǎng)戰(zhàn)斗，那么目前這場(chǎng)戰(zhàn)斗正從遠(yuǎn)觀、叫陣、近戰(zhàn)發(fā)展到它的最后階段――肉搏!6月22日，賽靈思基于統(tǒng)一架構(gòu)的28nm 7系列FPGA閃亮登場(chǎng)，本次發(fā)布的FPGA新品最大的亮點(diǎn)是功耗大幅度降低，同時(shí)性能、容量大幅提升!“7系列最大的目標(biāo)是降低功耗!整個(gè)系列功耗降低50%!”在新聞發(fā)布會(huì)上，賽靈思公司質(zhì)量管理和新產(chǎn)品導(dǎo)入全球高級(jí)副總裁亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人(Vincent Tong) 指出，“同時(shí)容量大大提升，高達(dá)200萬(wàn)個(gè)邏輯單元!除了取代高端ASIC，7系列FPGA還將瞄準(zhǔn)更多新興應(yīng)用。”

　　一、不再回避功耗、尺寸敏感話題

　　和以前FPGA叫板ASIC的策略不同，這次賽靈思不再?gòu)?qiáng)調(diào)FPGA的靈活性了(或許大家早認(rèn)同這個(gè)優(yōu)勢(shì)了)，這次賽靈思選擇了很多FPGA供應(yīng)商想回避的話題的同時(shí)也是很多ASIC廠商總拎來(lái)打擊FPGA的兩個(gè)特性：功耗和尺寸。

　　“預(yù)計(jì)40nm FPGA市場(chǎng)到2014年的規(guī)模可以達(dá)到70億美元，而那時(shí)ASIC/ASSP的規(guī)模會(huì)是600億美元，如果FPGA要擴(kuò)大規(guī)模，就必須有更低的成本(更高的性?xún)r(jià)比)、更高的系統(tǒng)性能、更大的容量和更低的功耗，我們認(rèn)為這其中最主要的關(guān)鍵是降低功耗!” 湯立人指出，“我們此次推出的7系列28nm FPGA系列，在系統(tǒng)性能上翻番，同時(shí)容量擴(kuò)大兩倍，功耗降低一半，我們預(yù)計(jì)28nm 7系列FPGA可以將FPGA市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大到110億美元!”

　　這是新推出的3大系列產(chǎn)品，這三大系列產(chǎn)品都采用了統(tǒng)一架構(gòu)，這個(gè)架構(gòu)基于先前賽靈思高端Virtex系列架構(gòu)，所有這些新系列產(chǎn)品均采用相同的架構(gòu)構(gòu)建塊(邏輯結(jié)構(gòu)、Block RAM、時(shí)鐘技術(shù)、DSP切片、SelectIO 技術(shù))，以不同比例組合，并針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，能滿足從最低到最高器件密度和功能需求。

　　很多人擔(dān)心此次推出的ARTIX系列會(huì)影響以前推出的Spartan系列FPGA，對(duì)此，賽靈思公司亞太區(qū)市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)張宇清指出：“從過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)看，每次新一代的產(chǎn)品推出對(duì)以往的產(chǎn)品影響并不大，例如spartan-6推出后，S3/S3A的銷(xiāo)量還是很大，V6推出后，并不影響V5的需求，所以7系列的推出與對(duì)賽靈思6系列影響不大，另外，雖然7系列中不再有spartan架構(gòu)產(chǎn)品，但是賽靈思會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)S6等spartan架構(gòu)產(chǎn)品，S6和Artix系列的密度不同，所以S6會(huì)繼續(xù)服務(wù)很多小密度應(yīng)用的領(lǐng)域。”

　　ARTIX系列將會(huì)瞄準(zhǔn)很多高性能ASIC/ASSP應(yīng)用的領(lǐng)域，例如便攜式醫(yī)療超聲設(shè)備、高端數(shù)碼相機(jī)等等，“中國(guó)現(xiàn)在實(shí)行醫(yī)療改革計(jì)劃，很多縣、鄉(xiāng)醫(yī)療所需要便攜式、操作方便的超聲、診斷設(shè)備，這將是ARTIX系列瞄準(zhǔn)的一個(gè)主要應(yīng)用。”湯立人指出，“目前高級(jí)數(shù)碼相機(jī)日益流行此外，預(yù)計(jì)到2010年數(shù)碼相機(jī)的銷(xiāo)售量達(dá)到1.5億臺(tái)，其中數(shù)碼單反相機(jī)將占上述相機(jī)總數(shù)的10%，其需求主要表現(xiàn)為避免IC過(guò)時(shí)、高精度電機(jī)控制、低功耗焊線封裝、零售價(jià)低于10美元等等，這個(gè)市場(chǎng)的數(shù)量并不是很大，因此成為ARTIX系列另一個(gè)應(yīng)用主戰(zhàn)場(chǎng)，將給FPGA帶來(lái)7,500萬(wàn)~15,000萬(wàn)美元的巨大商機(jī)，目前已經(jīng)有高端單反相機(jī)采用了賽靈思的FPGA產(chǎn)品。”

　　下圖顯示高端單反相機(jī)應(yīng)用中用單個(gè)Artix-7 FPGA可代替9 個(gè)ASSP，可顯著降低成本、功耗和尺寸。

　　Kintex系列以Virtex-6 FPGA 一半的成本和功耗提供了與其相當(dāng)?shù)男阅埽跃邆浜芨叩男詢(xún)r(jià)比，這種高度優(yōu)化的產(chǎn)品旨在用于低成本信號(hào)處理，其提供豐富的 DSP切片、內(nèi)部存儲(chǔ)器和 10.3 Gbps 的 GTX 串行收發(fā)器，且價(jià)格極富吸引力，適用于中等密度的應(yīng)用需求。Kintex-7 FPGA 的邏輯密度從3 萬(wàn)到 40萬(wàn)邏輯單元不等，性能比 Artix-7 FPGA 高 40%，與 Virtex-6 FPGA 相當(dāng)，速度比 Spartan-6 FPGA 提高 70%。 其瞄準(zhǔn)的應(yīng)用為無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)備市場(chǎng)以及一些新興市場(chǎng)如3D TV市場(chǎng)，它可以廣泛部署于毫微微基站、超微 (pico) 基站和主流基站中。上述產(chǎn)品的串行連接功能、存儲(chǔ)器和邏輯性能也非常適用于大批量有線通信設(shè)備，如 10G 無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (PON) 光線路終端 (OLT) 線路卡，可為家庭社區(qū)提供高速網(wǎng)絡(luò)。“未來(lái)我們家庭中會(huì)有很多毫微蜂窩基站，Kintex-7 FPGA 將會(huì)大量應(yīng)用。”張宇清表示。

　　下圖顯示在2發(fā)2收無(wú)線LTE基站應(yīng)用中，采用基于Kintex-7 FPGA 方案可以將原來(lái)基于virtex-6方案功耗降低48%!

　　與Virtex-6 FPGA 相比，Virtex-7 系列的系統(tǒng)性能翻了一番，功耗降低一半，速度提升30%，該系列產(chǎn)品針對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行了精心優(yōu)化，以最大型的 FPGA 支持最高性能和最高帶寬串行連接功能。Virtex-7 系列包含 Virtex-7T 和 Virtex-7XT 兩個(gè)子系列產(chǎn)品，屬于超高端產(chǎn)品之列，在嵌入式收發(fā)器、DSP 切片、存儲(chǔ)器模塊和高速 I/O 的數(shù)量與性能方面將 FPGA 技術(shù)發(fā)揮到了極致，為業(yè)界樹(shù)立了新的基準(zhǔn)。

　　Virtex-7T 器件提供多達(dá) 36 個(gè) 10.3 Gbps GTX 串行收發(fā)器，具有超高端邏輯容量(邏輯單元多達(dá) 200 萬(wàn)個(gè))，而且實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的并行 I/O 帶寬(SelectIO™ 引腳多達(dá) 850個(gè))。這種 I/O 配置提供了最大數(shù)量的 72 位 DDR3 存儲(chǔ)器并行 bank，支持 2,133 Mbps 的性能。

　　Virtex-7XT 產(chǎn)品將功能進(jìn)一步擴(kuò)展，其單個(gè) FPGA 就能實(shí)現(xiàn)最高串行帶寬，不僅可提供多達(dá) 72 個(gè)速度達(dá) 10.3 Gbps 的 GTH 收發(fā)器，或 80 個(gè) GTH 和 GTX 收發(fā)器(其中24 個(gè)運(yùn)行速度為 13.1 Gbps，另外 56 個(gè)運(yùn)行速度為 10.3 Gbps)，而且還具有更高的DSP到邏輯比 (DSP-to-logic ratio)，可實(shí)現(xiàn)更高吞吐量，支持多達(dá) 3,960 個(gè) 600 MHz 的 DSP 切片，總性能達(dá) 4.7 TMAC。此外，7XT FPGA 還有更出色的片上BRAM到邏輯比，高達(dá) 65 MB，可滿足低時(shí)延數(shù)據(jù)緩沖要求。賽靈思將在本系列中增加帶有 28 Gbps 收發(fā)器的產(chǎn)品，具體情況將稍后披露。

　　湯立人指出Virtex-7 FPGA 旨在滿足最高性能無(wú)線、有線和廣播基礎(chǔ)設(shè)施子系統(tǒng)的需求。Virtex-7 FPGA 的 TeraMACC 信號(hào)處理能力支持 400G 橋接和交換結(jié)構(gòu)有線通信、高級(jí)雷達(dá)和高性能計(jì)算系統(tǒng)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員可用單個(gè) FPGA 的 100GE 線路卡實(shí)施方案取代 ASIC 和多芯片組 ASSP 解決方案，以增加帶寬，從而滿足集成式多路復(fù)用器/轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用中100GB 光傳輸網(wǎng)絡(luò) (OTN) 復(fù)用轉(zhuǎn)發(fā)器、300G Interlaken 橋接器以及 400G 光網(wǎng)卡的需求。此外，這種超高端產(chǎn)品還提供了構(gòu)建新一代測(cè)試測(cè)量設(shè)備所需的邏輯密度、性能和 I/O 帶寬。如果系統(tǒng)確實(shí)需要采用 ASIC，那么 Virtex-7 FPGA 可幫助設(shè)計(jì)人員在原型設(shè)計(jì)和仿真階段減少器件數(shù)量，從而降低成本，減少互連/設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

　　下圖顯示Virtex-7 FPGA 在有線通信橋接應(yīng)用中，其I/O帶寬比相應(yīng)的ASIC產(chǎn)品提高30%!但是功耗卻相當(dāng)!此外，系統(tǒng)成本可以降低15%!這對(duì)于很多系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)相當(dāng)有誘惑力。

　　二、7系列FPGA的開(kāi)發(fā)與移植

　　賽靈思7系列FPGA采用統(tǒng)一架構(gòu)的目的就是讓開(kāi)發(fā)人員的方案可以輕松移植，例如采用Aritex-7的毫微蜂窩基站可以輕松升級(jí)到2×2遠(yuǎn)程無(wú)線基站應(yīng)用或者設(shè)計(jì)到更高端采用Virtex-7的8×8無(wú)線基站，在具體開(kāi)發(fā)中，依舊利用賽靈思提出的目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)可以輕松完成開(kāi)發(fā)。“7系列FPGA成為目標(biāo)設(shè)計(jì)平臺(tái)的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，利用賽靈思提供個(gè)ISE設(shè)計(jì)套件、參考設(shè)計(jì)和IP可以輕松完成設(shè)計(jì)。”張宇清表示，“另外，開(kāi)發(fā)人員還可以使用AXI IP生態(tài)系統(tǒng)，就是把ARM生態(tài)系統(tǒng)中的IP應(yīng)用到7系列中來(lái)。”

　　“以前賽靈思采用spartan和virtex兩個(gè)系列產(chǎn)品，當(dāng)用戶要升級(jí)的時(shí)候需要重新開(kāi)發(fā)一套IP來(lái)，這樣就增加了開(kāi)發(fā)工作量，我們?cè)趯?duì)用戶需求做調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，很多用戶對(duì)統(tǒng)一架構(gòu)持積極的贊成態(tài)度，這樣，實(shí)際可以幫助客戶節(jié)省了大量的IP開(kāi)發(fā)時(shí)間。”湯立人補(bǔ)充道。

　　從目前的趨勢(shì)來(lái)看，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體硬件成本不斷下降，性能卻不斷提升，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要從軟件入手提升產(chǎn)品差異性，如果能節(jié)省大量基礎(chǔ)性軟件開(kāi)發(fā)工作，讓開(kāi)發(fā)人員將更多精力用于差異性開(kāi)發(fā)則會(huì)大大提升開(kāi)發(fā)效率，統(tǒng)一架構(gòu)FPGA的出現(xiàn)無(wú)疑符合了這一需求。

　　三、7系列FPGA低功耗技術(shù)揭秘

　　7系列FPGA如何實(shí)現(xiàn)了功耗的大幅度降低?顯然，單單提升工藝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)這么大幅度的降低，湯立人也分享了7系列FPGA低功耗的幾個(gè)小秘密，總結(jié)起來(lái)，賽靈思采用8大技術(shù)降低功耗。

　　1、采用賽靈思和臺(tái)積電共同開(kāi)發(fā)的高性能低功耗金屬柵極工藝HLPMG工藝

　　2、存儲(chǔ)器配置電壓從2.5V下降到1.8V;

　　3、晶體管優(yōu)化降低動(dòng)態(tài)功耗

　　4、采用優(yōu)化的硬模塊

　　5、降低I/O功耗

　　6、內(nèi)核電壓降低到1V以下，可用0.9V供電

　　7、軟件配置中采用智能時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)，可以降低20%的功耗;

　　8、采用第5代可重配置技術(shù)，實(shí)現(xiàn)FPGA的動(dòng)態(tài)配置降低功耗

　　基于這些技術(shù)，可以將28nm FPGA的功耗降低50%!

　　“從另一個(gè)角度來(lái)看，如果你的設(shè)計(jì)功耗可以維持不變，則你可以在同等功耗預(yù)算的前提下使用兩個(gè)7系列的FPGA。”湯立人指出，“這有點(diǎn)類(lèi)似PC處理器中的多核概念--在同樣功耗預(yù)算下有更多FPGA可以使用，使你的性能提升很多，由于FPGA是天生并行處理器件，這樣下來(lái)性能的提升不僅僅成倍的了。”

　　從1984年第一塊FPGA發(fā)明以來(lái)，F(xiàn)PGA已經(jīng)走過(guò)近30年的發(fā)展，目前來(lái)看，F(xiàn)PGA的發(fā)展依然呈現(xiàn)性能大幅度提升勢(shì)態(tài)，“所以摩爾定律對(duì)FPGA依然有效，你們可以看到FPGA性能提升的幅度還很大，如果性能提升減緩則說(shuō)明發(fā)展空間不大了。”張宇清指出。

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　　FPGA目前已經(jīng)在逐漸占據(jù)高端ASIC的領(lǐng)地，并向更多新興應(yīng)用挺進(jìn)，所以賽靈思CEO Moshe Gavrielov稱(chēng)“ASIC日益變?yōu)閚iche，而FPGA應(yīng)用日益擴(kuò)大變?yōu)?lsquo;通用’”，這真是一個(gè)非常有意思的變化。未來(lái)，F(xiàn)PGA是否可以成為下一代嵌入式處理器?FPGA在成為下一代嵌入式處理器前還要應(yīng)對(duì)什么挑戰(zhàn)?歡迎大家討論。