賽靈思Virtex-7 2000T背景資料
賽靈思現(xiàn)已向客戶推出世界最大容量的 FPGA:Virtex-7 2000T。這款包含 68 億個晶體管的FPGA具有 1,954,560 個邏輯單元,容量相當于市場同類最大28nm FPGA 的兩倍。這是賽靈思采用臺積電 (TSMC) 28nm HPL工藝推出的第三款 FPGA,更重要的是,這也是世界第一個采用堆疊硅片互聯(lián) (SSI) 技術(該技術是賽靈思致力于實現(xiàn)3D IC 的方法)的商用FPGA(參見 Xcell 雜志第 74 期的封面報道)。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/127573.htm賽靈思可編程平臺開發(fā)全球高級副總裁 Victor Peng 指出:“Virtex-7 2000T FPGA 是賽靈思創(chuàng)新和業(yè)界合作史上的一個重大里程碑。如果沒有堆疊硅片互聯(lián) (SSI) 技術,至少要等到下一代工藝技術,才有可能在單個FPGA中實現(xiàn)如此大的晶體管容量。就通常新一代產(chǎn)品的推出而言,SSI 至少提前一年將我們的最大型 28nm 器件交付給了客戶,這對 ASIC 和 ASSP 仿真和原型而言尤其重要。”
傳統(tǒng)上, FPGA 廠商習慣于采用最新芯片工藝技術來實現(xiàn)他們的新架構,充分發(fā)揮摩爾定律的作用,這樣晶體管的數(shù)量每 22 個月就能隨最新芯片工藝技術的推出而翻一番。過去 20 年,F(xiàn)PGA 廠商一直遵循摩爾定律的發(fā)展,不斷推出新的 FPGA,實現(xiàn)器件容量的倍增。
然而,針對 Virtex-7 2000T 和 Virtex-7 系列的幾個其他產(chǎn)品,賽靈思打造了 SSI 技術。該技術在無源硅中介層上并排連接著幾個硅切片(有源切片),該切片再由穿過該中介層的金屬連接,與印制電路板上不同 IC 通過金屬互聯(lián)通信的方式類似。通過這種技術,賽靈思讓器件的發(fā)展步伐超過了摩爾定律的速度。Virtex-7 2000T FPGA 的容量是市場同類最大28nm 器件的兩倍,而且比賽靈思最大型的 Virtex-6 FPGA 大 2.5 倍。賽靈思Virtex-7 FPGA 產(chǎn)品線經(jīng)理 Panch Chandrasekaran 指出,該架構的真正優(yōu)勢在于,雖然2000T由 4 個切片組成,但它仍保持著傳統(tǒng) FPGA 的使用模式,設計人員可通過賽靈思工具流程和方法將該器件作為一款極大型 FPGA 進行編程。
除具有 1,954,560 個邏輯單元外,Virtex-7 2000T 還包括含有 305,400 個 CLB 切片的可配置邏輯塊 (CLB) ,分布式 RAM 容量高達 21,550 Kb。它共有 2,160 個 DSP slice、46,512 個 BRAM、24 個時鐘管理模塊、4 個 PCIe® 模塊、36 個 GTX 收發(fā)器(每個性能達12.5 Gbps)、24 個 I/O bank 和共 1,200 個用戶 I/O。
Virtex-7 2000T 的推出, 標志著賽靈思取得了一個重大成就,也標志著賽靈思向半導體產(chǎn)業(yè)的 3D IC時代邁進了一大步。Chandrasekaran 指出,該產(chǎn)品的真正價值在于開啟了用戶創(chuàng)新之門,為苦心尋找最大容量器件的客戶帶來了新的設計能力。他說:“對那些希望加速產(chǎn)品開發(fā),為軟件開發(fā)人員提供芯片仿真功能,或者期望將多個芯片整合到單個器件中,以及那些發(fā)現(xiàn)其設計不能采用 ASIC 的客戶而言,他們都將從這一了不起的技術中大受其益。通過采用SSI 技術,賽靈思現(xiàn)在就把下一代工藝才能提供的超大容量FPGA,交到設計人員手中。”
ASIC 和 IP 仿真及原型
Gary Smith EDA 的設計工具分析師兼 ASIC 方法專家 Gary Smith 指出,目前高端 ASIC 或 ASSP 設計平均包含 4.2 億個門。“我聽說過的最大產(chǎn)品包含 11 億個門。”由于門的數(shù)量很多,不管是商用仿真系統(tǒng),還是自己動手設計的 ASIC 原型設計電路板,90% 以上的 ASIC 設計團隊都要采用某種形式的硬件輔助驗證系統(tǒng)。
傳統(tǒng)上,創(chuàng)建商用模擬仿真系統(tǒng)的公司或自己進行原型設計的團隊一直是廠商推出最大型 FPGA 產(chǎn)品的首批使用客戶。商用仿真系統(tǒng)供應商希望盡可能提高 FPGA 的容量。Chandrasekaran 指出:“尤其是這個市場的設計,將因為擁有Virtex-7 2000T 超越摩爾定律的容量而獲益匪淺。Virtex-7 2000T可以讓他們現(xiàn)在即可向他們的客戶推出擁有下一代容量的仿真系統(tǒng),并最終使得這些客戶大大縮短開發(fā)時間,并更快向市場推出更多新的、更具創(chuàng)新性的產(chǎn)品。”
大多數(shù)商用模擬仿真系統(tǒng)包括兩個或兩個以上電路板,以及數(shù)個 FPGA,這具體取決于客戶需要模擬仿真的 ASIC、IP甚至系統(tǒng)的大小。同時,模擬仿真系統(tǒng)的客戶可用其加速驗證,確保設計功能正常,而且能為軟件團隊提供設計的硬件版本,幫助軟件團隊盡快啟動開發(fā)工作,等代工廠推出實體芯片 ASIC 后就能基本完成軟件設計。這當然有助于加快產(chǎn)品上市進程。
就商用模擬仿真系統(tǒng)的典型使用模式而言,用戶首先用傳統(tǒng)的 EDA 驗證軟件來設計 ASIC 或 IP并驗證其功能,做好這步工作之后,就能在商用仿真器中實現(xiàn)寄存器傳輸級 (RTL) 版本設計,以便進一步進行設計驗證。每個仿真器廠商通常提供自己的軟件,配合賽靈思的設計軟件工作,以綜合 RTL,并將 ASIC 設計分區(qū)到不同的模塊,讓這些模塊在仿真器中的各個 FPGA 上實現(xiàn)優(yōu)化分配。模擬仿真廠商的軟件連接到運行不同 EDA 驗證工具的工作站或 PC 上,在仿真器上運行的同時進行設計測試。
模擬仿真廠商也提供了低成本的選擇,有時稱作仿真器的“復制品”或者統(tǒng)稱為“原型系統(tǒng)”。這些低成本選擇只能仿真 ASIC 功能。公司為軟件團隊提供這些系統(tǒng),旨在幫助他們快速開發(fā)日后將在設計中運行的驅(qū)動程序、固件和應用。
Chandrasekaran指出,更大型的 FPGA 能讓模擬仿真廠商推出更高容量的模擬仿真系統(tǒng),也能用較少的FPGA構建中低容量的系統(tǒng),從而提升在該系統(tǒng)上運行的設計的整體時鐘速度的同時,降低功耗和材料清單成本。Chandrasekaran 說:“Virtex-7 2000T 容量非常大,廠商甚至能夠在單個 FPGA 芯片基礎上構建仿真器。由于設計運行的芯片數(shù)量減少,甚至只需要一個芯片,因此系統(tǒng)整體性能也能變得更快。”
如果設計團隊買不起市場上現(xiàn)成的價值可能超過百萬美元的昂貴模擬仿真系統(tǒng),Virtex-7 2000T也是不錯的選擇。Chandrasekaran 指出:“許多設計團隊都構建自己的定制開發(fā)板來進行 ASIC或整個系統(tǒng)功能的原型和/或模擬仿真,快速啟動軟件開發(fā)。即便用仿真系統(tǒng)來開發(fā)自己 IC 的設計人員也能為軟件團隊提供自己的不同版本的 FPGA。”
Chandrasekaran 表示,該器件對 IP 廠商也有吸引力。IP 廠商不僅能用 FPGA 來開發(fā)新的IP模塊,還能用其向潛在客戶演示 IP核的功能。
系統(tǒng)架構整合與節(jié)能
除了有利于 ASIC 和 IP 模擬仿真及原型外,新型 Virtex-7 2000T 對希望降低系統(tǒng)功耗、增強性能和系統(tǒng)功能的系統(tǒng)架構師也極富吸引力。
Chandrasekaran 指出:“市場上使用多個 FPGA 的最終產(chǎn)品非常多。有了 Virtex-7 2000T,就能在單個 FPGA 上集成數(shù)個 FPGA 的功能。系統(tǒng)集成提高了性能,因為所有這些功能都集中在了一個芯片上,系統(tǒng)集成后,避免了開發(fā)板上不同 IC 間的 I/O 接口,從而降低了功耗。I/O 接口數(shù)量越多,功耗就越大,二者成正比關系。因此,設計性能越高、系統(tǒng)中 IC 數(shù)量越多,功耗也就越大。”
此外,系統(tǒng)功能在多個 IC 間的分區(qū)也是一項復雜工作,可能會延長設計時間,增加測試成本。多個器件整合到系統(tǒng)中能減小分區(qū)壓力,同時還能降低驗證和測試相關的成本。Chandrasekaran 指出:“由于容量比競爭性 FPGA 高出一倍還多,Virtex-7 2000T 能讓客戶進一步提高集成度,相對于多芯片解決方案而言可將功耗降低四倍左右。此外,由于打破了 I/O 瓶頸,他們也能提升系統(tǒng)性能,同時因為取消不必要的設計分區(qū)而降低了系統(tǒng)的復雜性。架構師們也可以節(jié)省下大量的板級空間以便添加其他功能,或者能夠縮小產(chǎn)品的尺寸。”
與其它 7 系列器件一樣,賽靈思的 Virtex-7 2000T 也采用臺積電專門針對28nm FPGA 的高性能低功耗 (HPL) 工藝技術(詳見賽靈思中國通訊第37期的封面報道)制造而成。Chandrasekaran 表示,由于賽靈思 Virtex-7 2000T 采用 HPL 工藝制造,因此晶體管的漏電流低于采用 28nm 高性能(HP)工藝技術實現(xiàn)的同類競爭器件。這就意味著 Virtex-7 2000T 的功耗, 僅相當于容量僅為其一半的競爭器件的水平。
ASIC的替代產(chǎn)品
最后但同樣重要的是,對于那些無法求證在 28nm 工藝節(jié)點開發(fā) ASIC 或 ASSP 的成本和風險是否值當?shù)?、且越來越多不斷增長的設計團隊來說, Virtex-7 2000T同樣很有吸引力。隨著芯片工藝技術的不斷發(fā)展,設計和制造成本也在不斷飆升。28nm的 ASIC 或 ASSP 的NRE成本超過 5,000 萬美元,而且一旦修改 ASIC 則可能把成本再增加近一半。設計過程中一旦因為疏忽犯了錯,就會嚴重影響產(chǎn)品贏利,多次犯錯就可能導致項目取消,錯過市場機遇,甚至導致公司的倒閉。
Virtex-7 2000T 可取代 1,000 萬到 2,000 萬門級的 ASIC,避免了 ASIC相關的NRE 成本問題。Chandrasekaran 表示:“設計人員可以集中精力進行設計, 而無需再擔心什么小錯誤會導致災難性的返工修改。此外,Virtex-7 2000T 具有可重編程性,如果設計人員犯了錯誤,對器件重新編程就可以了。”
設計方法保持不變
雖然 Virtex-7 2000T 是一種超大容量器件,但對該器件的編程不需要在工作方法上做很大的調(diào)整。
Chandrasekaran 表示:“過去幾年來,充分考慮到超大容量設計的需求,賽靈思一直在優(yōu)化設計工具?,F(xiàn)在客戶能夠針對功耗和性能有效地進行分區(qū)、布局規(guī)劃和優(yōu)化。”Chandrasekaran 解釋說,大多數(shù)并非所有大型 FPGA 通常都需要設計人員執(zhí)行一定的分區(qū)工作,將時序關鍵功能盡可能貼近彼此。設計團隊如果在 Virtex-7 2000T 中布置大型設計,賽靈思工具可幫助他們進行布局規(guī)劃,并進行設計分區(qū),從而實現(xiàn)最佳時序和性能。
最新版賽靈思設計工具可支持 Virtex-7 2000T。Chandrasekaran 表示:“用戶現(xiàn)在就能立刻用 Virtex-7 2000T進行設計。”未來一年中,賽靈思計劃發(fā)布其它單芯片 Virtex-7 FPGA 以及SSI 配置。
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