2.5D堆疊硅片互聯(lián)

　　摩爾定律認(rèn)為芯片上的晶體管數(shù)量每過18個(gè)月就會(huì)翻一番，過去20年，不管是和FPGA廠商還是ASIC廠商都在遵循在這個(gè)定律的發(fā)展，隨著微電子技術(shù)更深入地改變?nèi)藗兊纳?，摩爾定律似乎成了芯片技術(shù)發(fā)展的約束-----如何更早地實(shí)現(xiàn)裸眼3D電視?如何更快地提升無線通信帶寬?如何實(shí)現(xiàn)低功耗高速存儲(chǔ)?沒有更強(qiáng)大的芯片推出，這些愿景從提出到實(shí)現(xiàn)需要漫長(zhǎng)的時(shí)間，現(xiàn)在，賽靈思公司提出的2.5D堆疊硅片互聯(lián)SSI)技術(shù)有望破除摩爾定律的魔咒，并有望徹底改變IC產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則!

　　Vitex7-2000T FPGA---超越摩爾定律的產(chǎn)物

　　今天，賽靈思公司全球同步宣布推出首批28nm Vitex7-2000T FPGA，這是利用2.5D堆疊硅片互聯(lián)打造的全球容量最大的FPGA，它有195萬個(gè)邏輯門，68億個(gè)晶體管，單從晶體管數(shù)量上來說它也是世界最大的半導(dǎo)體芯片!它的運(yùn)算能力是1.5TMACs ，其容量是同類產(chǎn)品的兩倍，這個(gè)技術(shù)讓FPGA的發(fā)展超越了摩爾定律，“這是一個(gè)可以game change的技術(shù)!”賽靈思全球高級(jí)副總裁亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人評(píng)價(jià)道。

　　“你可以把它想象成一個(gè)巨大的處理平面，它可以處理海量的信息，它有2000個(gè)DSP，單個(gè)FPGA實(shí)現(xiàn)180,000MIPS指令，它就像一個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)!而它的功耗只有19W!”賽靈思公司產(chǎn)品市場(chǎng)營銷總監(jiān)Brent Przybus強(qiáng)調(diào)。“未來我們還會(huì)推出針對(duì)某些特定應(yīng)用的版本，例如我們已經(jīng)推出了Virtex-7 XT和Virtex-7 HT，它們分別增加了高速收發(fā)器的數(shù)量，峰值帶寬超過2.5Tbps!”

　　這一強(qiáng)大的FPGA讓許多需要2年后完成的酷炫產(chǎn)品提前面市了!“例如目前大家看好的全視角裸眼3D電視技術(shù)，這種全視角裸眼3D需要電視分析觀看者的視角，然后對(duì)內(nèi)容針對(duì)視角進(jìn)行處理，現(xiàn)在還沒有強(qiáng)大的ASIC可以處理這些海量信息，但是Vitex7-2000T的推出，讓實(shí)現(xiàn)不在遙遠(yuǎn)。”湯立人指出，“預(yù)計(jì)明年初就將有真正全視角3D裸眼電視推出了。”

　　他舉例稱，有某無線廠商3年前規(guī)劃產(chǎn)品時(shí)，提出的需求是需要2000萬門的ASIC，性能要達(dá)到Tb級(jí)別、功耗預(yù)算為30瓦，開發(fā)時(shí)間為2年，但是，現(xiàn)在3年過去了，該產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)狀是采用多芯片方案，不但需要ASIC，更需要兩塊Virtex-5完成處理，而且功耗高達(dá)70瓦!這還沒有計(jì)算因項(xiàng)目延長(zhǎng)造成的資金投入和市場(chǎng)損失，“如果采用Vitex7-2000T FPGA，同樣可以完成規(guī)劃目標(biāo)，但是功耗要低于30瓦、而開發(fā)時(shí)間僅為ASIC的1/3!上市時(shí)間等于縮短了2年!這給廠商帶來的好處大家都可以想象到!” 湯立人強(qiáng)調(diào)，“所以Vitex7-2000T FPGA推出后廣受客戶歡迎，目前我們有2000個(gè)design in !而且已經(jīng)有基于Vitex7-2000T的產(chǎn)品出貨了!”


                           賽靈思Vitex7產(chǎn)品特性一覽

　　2.5D芯片堆疊與3D芯片堆疊的糾結(jié)

　　3D芯片堆疊的概念已經(jīng)提出了很多年，但是如何實(shí)現(xiàn)3D芯片一直是產(chǎn)業(yè)在探討的難題，目前，真正實(shí)現(xiàn)3D芯片的只有mems芯片，“我們認(rèn)為從目前的芯片到真正的3D芯片還需要數(shù)年的時(shí)間，而2.5D芯片堆疊是個(gè)不錯(cuò)發(fā)展方向，會(huì)延續(xù)很久。”湯立人指出。“而賽靈思能完成2.5D芯片堆疊，也是得益于其獨(dú)特7系列獨(dú)特的架構(gòu)，這種架構(gòu)可以支持FPGA進(jìn)行方便的伸縮，如果沒有這種獨(dú)特的架構(gòu)，很難采用這種堆疊互聯(lián)技術(shù)。”

　　所謂2.5D是指在無源器件上堆疊有源芯片，而3D芯片是指在有源芯片上堆疊有源芯片，賽靈思打造的2.5D堆疊技術(shù)是在無源硅中介層上并排幾個(gè)硅切片(有源切片)，該切片再由穿過中階層的金屬連接，中介層在每個(gè)芯片間提供10000多個(gè)高速互聯(lián)，這與PCB上不同IC通過金屬導(dǎo)線互聯(lián)通信類似，這個(gè)架構(gòu)的特點(diǎn)是，Vitex7-2000T雖然有4個(gè)切片組成，但設(shè)計(jì)人員功過賽靈思的設(shè)計(jì)工具可以將其看作一款大型FPGA進(jìn)行操作和開發(fā)。

　　堆疊硅片互聯(lián)技術(shù)封裝示意圖

　　很多人擔(dān)心由此引發(fā)的熱管理問題，對(duì)此，湯立人解釋說由于中階層是無源的，所以除了FPGA芯片本身有功耗外沒有其他熱問題，它其實(shí)就是一個(gè)單芯片器件，不用特殊的降溫設(shè)計(jì)。而由于其內(nèi)部采用AMBA以及AXI4高速互聯(lián)總線，內(nèi)部互聯(lián)產(chǎn)生的功耗遠(yuǎn)小于四個(gè)器件外部互聯(lián)方式產(chǎn)生的熱量，所以采用2.5D堆疊技術(shù)的FPGA所產(chǎn)生的功耗要遠(yuǎn)低于四個(gè)單獨(dú)器件的功耗。

　　另外，采用SSI封裝架構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力小于同樣大小的單片式倒裝片BGA封裝，因?yàn)橹薪閷幽苡行Х纸舛逊e的內(nèi)壓力，所以這種封裝還提升了芯片的熱機(jī)械性能。

　　湯立人透露賽靈思早在2006年就開始堆疊芯片互聯(lián)技術(shù)的研發(fā)，以后不斷在90nm、65nm、28nm工藝上進(jìn)行集成和模塊化開發(fā)，終于今天正式推出28nm 堆疊工藝技術(shù)的FPGA，這真可謂5年磨一劍，而這個(gè)技術(shù)也為整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來福音，“2.5D芯片堆疊互聯(lián)技術(shù)也可以用于其他IC產(chǎn)品，我們認(rèn)為這個(gè)技術(shù)會(huì)不斷演進(jìn)下去，直到數(shù)年后3D堆疊技術(shù)成熟后它還會(huì)有自己的生命力。”湯立人表示，“2.5D堆疊技術(shù)未來會(huì)從目前的同構(gòu)系統(tǒng)向異構(gòu)系統(tǒng)發(fā)展，這意味著利用堆疊技術(shù)可以把不同類型的器件集成進(jìn)去。在我們的堆疊中，F(xiàn)PGA采用的是28nm工藝，而無源中介采用的是65nm工藝，這意味著什么?顯然，未來，采用2.5D堆疊技術(shù)工藝，可以給高工藝的FPGA集成更多其它工藝器件，比如65nm的模擬器件，40nm的memory等等。”

　　SEMICO更預(yù)測(cè)FPGA未來會(huì)集成標(biāo)準(zhǔn)單元、分立器件、多核處理器、光學(xué)器件等等，到那時(shí)，F(xiàn)PGA會(huì)變成什么? 發(fā)揮你的想象力吧!

　　賽靈思全球高級(jí)副總裁亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人(中)、賽靈思亞太區(qū)上銷售與市場(chǎng)總監(jiān)張宇清(左)與賽靈思公司產(chǎn)品市場(chǎng)營銷總監(jiān)Brent Przybus(右)

　　賽靈思亞太區(qū)上銷售與市場(chǎng)總監(jiān)張宇清指出：“Vitex7-2000T FPGA的推出給ASIC原型開發(fā)帶來提升，原來64個(gè)FPGA完成13個(gè)ASIC模擬驗(yàn)證，而且只能進(jìn)行10套軟件系統(tǒng)的開發(fā)，而現(xiàn)在只要16個(gè)Vitex7-2000T FPGA就可以完成13個(gè)大型ASIC模擬驗(yàn)證，并進(jìn)行200套系統(tǒng)軟件開發(fā)，這在ASIC設(shè)計(jì)效率的提升是非常驚人!”這其中有趣的現(xiàn)象是ASIC的設(shè)計(jì)效率提升得益于FPGA的發(fā)展，而FPGA又在不斷取代高端ASIC，“因?yàn)殡S著工藝的演進(jìn)，高端ASIC的風(fēng)險(xiǎn)和成本驚人，例如28nm的NRE費(fèi)用就達(dá)4000萬美元，這還不算芯片修改的費(fèi)用，而用28nm FPGA， NRE費(fèi)用是零!”張宇清舉例道，“另外，ASIC和FPGA各有其發(fā)展市場(chǎng)，也不能對(duì)立的看待，不能用簡(jiǎn)單的取代來看兩個(gè)產(chǎn)品。”

　　前天，臺(tái)積電宣布28nm工藝正式量產(chǎn)，共有5家廠商量產(chǎn)，其中FPGA廠家就有兩家，隨著工藝技術(shù)的高速發(fā)展，一個(gè)以FPGA為引領(lǐng)者的時(shí)代到來了!