僅有16nm還不夠，Xilinx在下一代FPGA/SoC中加入多種猛料

　　2月底，Xilinx發(fā)布了下一代16nm產(chǎn)品特點(diǎn)的新聞：《Xilinx憑借新型存儲(chǔ)器、3D-on-3D 和多處理SoC技術(shù)在16nm繼續(xù)遙遙領(lǐng)先》(http://www.ex-cimer.com/article/270122.htm)，大意是說(shuō)，Xilinx新的16nm FPGA和SoC中，將會(huì)采用新型存儲(chǔ)器UltraRAM, 3D晶體管(FinFET)和3D封裝，Zynq會(huì)出多處理器產(chǎn)品MPSoC，因此繼28nm和20nm之后，繼續(xù)在行業(yè)中保持領(lǐng)先，打破了業(yè)內(nèi)這樣的規(guī)則：Xilinx和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在工藝上交替領(lǐng)先。

　　圖 Xilinx 16nm產(chǎn)品具備的主要功能

　　為何此時(shí)宣布2年后的新產(chǎn)品?

　　人們不免產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)，2014年12月，Xilinx的20nm芯片剛剛量產(chǎn)。為何Xilinx又如此之快地宣布兩年后將會(huì)量產(chǎn)的16nm計(jì)劃?答案是：你懂的!Xilinx的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手Altera二三年年前已宣布和Intel進(jìn)行戰(zhàn)略合作，Altera的14nm 3D(Trigate)芯片將由Intel代工。當(dāng)時(shí)Xilinx的代工廠(chǎng)——臺(tái)積電的技術(shù)(16FF)還無(wú)法和Intel匹敵。這次，代工廠(chǎng)臺(tái)積電推出了16FF+新工藝，Xilinx的腰板一下子硬了。

　　當(dāng)然，僅僅靠代工廠(chǎng)也顯得太low了，在上一次20nm+UltraScale組合的成功基礎(chǔ)上，Xilinx又推出了前述的多種猛料，并拋出了16nm的UltraScale+、SmartConnect等料。

　　另外，Xilinx的銷(xiāo)售策略也改變了，多種制程的產(chǎn)品將在市場(chǎng)上共存，這也是Xilinx不吝公布16nm的下一代產(chǎn)品。Xilinx公司全球高級(jí)副總裁兼亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人（下圖）稱(chēng)，由于16nm產(chǎn)品太復(fù)雜了，不是所有應(yīng)用都會(huì)用到，因此不會(huì)對(duì)20nm、28nm的產(chǎn)品產(chǎn)生沖擊，各種制程的產(chǎn)品會(huì)在市場(chǎng)共存，以滿(mǎn)足復(fù)雜度不同的各種應(yīng)用。但在過(guò)去，從90nm推出到65nm的時(shí)候，Xilinx就不去賣(mài)90nm了;當(dāng)40nm出來(lái)后，就不推65nm了。

　　猛料1：3D-on-3D

　　16nm的3D-on-3D，即3D晶體管(FinFET)和3D封裝，據(jù)稱(chēng)是在半導(dǎo)體公司里第一家實(shí)現(xiàn)的。

　　其實(shí)早在28nm時(shí)，Xilinx就已推出了3D封裝。湯立人稱(chēng)3D IC受到很多做ASIC仿真的通信大公司的歡迎。

　　Xilinx在20nm時(shí)的3D IC實(shí)現(xiàn)了400萬(wàn)邏輯單元，共有190億個(gè)晶體管，價(jià)格十幾萬(wàn)美元，聽(tīng)起來(lái)好像貴得嚇人，但是如果換成做ASIC，數(shù)千萬(wàn)美元才能搞定，而且ASIC不能修改，風(fēng)險(xiǎn)非常大。

　　3D-on-3D的好處是集成度和成本。集成度提高不言而喻。從成本來(lái)說(shuō)，Xilinx可以做到更低的系統(tǒng)成本，做3D IC要比單芯片的3D便宜非常多。

　　FinFET主要靠臺(tái)積電的工藝搞定。

　　3D封裝最大的挑戰(zhàn)是散熱，尤其是中間那層的散熱問(wèn)題。市面上大部分3D堆疊封裝產(chǎn)品是存儲(chǔ)器，因?yàn)榇鎯?chǔ)器不是經(jīng)常存取的，耗能較少。但是FPGA/SoC由于要做運(yùn)算，能耗較大。Xilinx的做法是，上下層是有效電路，這是晶體管要跑的，有功耗的，中間是金屬介質(zhì)層，主要用于連接信號(hào)，沒(méi)有晶體管，因此就沒(méi)有耗電和熱的問(wèn)題。(筆者注：由于中間層沒(méi)有晶體管，業(yè)界也有人認(rèn)為這是2.5D封裝)。

　　猛料2：軟件成為UltraScale+的重要部分

　　UltraScale+有Virtex，Kintex和Zynq。工藝方面主要是3D-on-3D。

　　圖 UltraScale+產(chǎn)品組合及價(jià)值

　　此時(shí)，Xilinx更強(qiáng)調(diào)了Vivado和SDx(軟件定義的系列工具)軟件工具的作用。因?yàn)閄ilinx的CEO Moshe Gavrielov過(guò)去是著名的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)公司——Cadence的副總，他改變了Xilinx的業(yè)務(wù)模式，想轉(zhuǎn)型成為EDA公司(筆者注：業(yè)界一些媒體評(píng)論認(rèn)為)，因?yàn)楣ぞ呤欠浅Ｖ匾?，工程師要想成功地設(shè)計(jì)，應(yīng)該完全靠工具，和硅芯片沒(méi)太大關(guān)系。理由是：現(xiàn)在FPGA越做越復(fù)雜，但主要還是硬件工程師用FPGA，軟件工程師做不了FPGA設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在大學(xué)生很多喜歡做軟件工程師，硬件工程師越來(lái)越少。所以，Xilinx想要擴(kuò)大市場(chǎng)，必須花很多功夫來(lái)吸引軟件工程師。為此，在北京，Xilinx前兩年研發(fā)了HLS，在某些應(yīng)用中可以用C語(yǔ)言做FPGA設(shè)計(jì)。Xilinx也越來(lái)越多地提SDx方面的事情。

　　猛料3：UltraScale+使性能功耗比提高2~5倍

　　怎么達(dá)到2倍到5倍的系統(tǒng)性能呢?湯立人稱(chēng)，16nm加上3D 封裝和FinFET，而且嵌入了很多的存儲(chǔ)器(UltraRAM)，還有新一代的智能互聯(lián)(SmartConnect)。

　　在工藝上，Xilinx與臺(tái)積電合作，之前臺(tái)積電有16FF，16FF比Intel、三星的14nm差一點(diǎn)，后來(lái)臺(tái)積電又推出了16FF+，比16FF性能提高15%，在功耗方面降低大概30%，與Intel的14nm工藝相當(dāng)。

　　一個(gè)產(chǎn)品成功與否，不光是看工藝的，與架構(gòu)關(guān)系也很大。Xilinx第一個(gè)提出ASIC級(jí)的可編程架構(gòu)UltraScale，16nm時(shí)將升級(jí)到UltraScale+。

　　猛料4：UltraRAM

　　UltraRAM是最新的存儲(chǔ)器技術(shù)，是臺(tái)積電與Xilinx共同開(kāi)發(fā)的。Xilinx認(rèn)為該技術(shù)主要適合視頻應(yīng)用。眾所周知，分布式RAM可以達(dá)到1000位，Block RAM可以達(dá)到數(shù)十Mb，如果應(yīng)用需要比較大的存儲(chǔ)器的話(huà)，以前在UltraScale+之前，用戶(hù)需要很多外部存儲(chǔ)器，但是當(dāng)布置大量的外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，很多信號(hào)、性能等方面的問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)，造成性能降低、功耗提高很多，因?yàn)橐?qū)動(dòng)外部信號(hào)。

　　因此Xilinx的UltraScale+中加入了UltraRAM，使容量可以達(dá)到432Mb，可以做到深度數(shù)據(jù)包緩沖、視頻緩沖，這非常有用，因?yàn)樵?K/8K視頻應(yīng)用方面緩存至關(guān)重要。

　　在芯片內(nèi)做RAM的好處是：信號(hào)不需要在芯片和芯片之間傳輸，所以無(wú)論在功耗、性能、成本上都會(huì)大大提升。

　　猛料5：SmartConnect降低功耗20%

　　另一個(gè)與20nm不同的地方在于，Xilinx現(xiàn)在的軟件可以根據(jù)延遲決定信號(hào)放在哪一種互聯(lián)里。因?yàn)閄ilinx的產(chǎn)品有不同的互聯(lián)設(shè)計(jì)在里面。以前軟件沒(méi)有這么規(guī)律地去優(yōu)化究竟什么信號(hào)、block放在互聯(lián)里面，所以在性能和功耗方面不是最優(yōu)化的。

　　SmartConnect是Xilinx內(nèi)部開(kāi)發(fā)的一個(gè)工具，可使功耗降低20%左右。

　　猛料6：多處理器MPSoC

　　Xilinx向嵌入式領(lǐng)域進(jìn)軍的代表作是Zynq，有兩個(gè)ARM Cortex-M9核，已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)等方面。在國(guó)內(nèi)，比如點(diǎn)鈔機(jī)會(huì)用很多這種技術(shù)，Zynq，不光是點(diǎn)，還可以驗(yàn)證錢(qián)幣的真假，因?yàn)閳D像處理功能很強(qiáng)。

　　現(xiàn)在Xilinx推出MPSoC——多處理SoC，即用合適的引擎來(lái)做合適的事。通過(guò)MPSoC可使性能提高5倍。

　　MPSoC的內(nèi)容很多，有四核的A53，是64位核心。還有32位雙核的實(shí)時(shí)處理器，有非常多的圖形處理器(采用ARM Mail-400M系列)，還有視頻編/解碼器，因?yàn)?K/8K需要編解碼。以前是用軟的方法來(lái)做編解碼，現(xiàn)在是用硬的方法來(lái)做，性能會(huì)提升很多。加上Fabric，UltraRAM，還有混合模擬信號(hào)。

　　在這么多內(nèi)容在里面，功耗很重要。如果不需要用所有功能，MPSoC可以將部分的電源功耗降低或者關(guān)閉。另外，要做到保密、安全、可靠。

　　16nm的應(yīng)用展望

　　在無(wú)線(xiàn)方面，在4G/LTE方面Xilinx做得非常成功。接下來(lái)的16nm將做LTE-A，5G也快來(lái)了。在國(guó)內(nèi)很大的一家客戶(hù)已經(jīng)在用20nm芯片了，他們也準(zhǔn)備要用16nm做LTE-A。

　　4K/8K視頻需要很多緩沖方面的技術(shù)，現(xiàn)在20nm可能實(shí)現(xiàn)得不夠好。在數(shù)據(jù)中心，也可以有非常多的應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)方面也是，機(jī)器到機(jī)器，所以在FPGA的應(yīng)用非常非常多，OTN等方面。

　　Xilinx在通信方面，占了一大半的市場(chǎng)份額，其實(shí)Xilinx一大半都是在通信以外的應(yīng)用，在汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)、通信等方面，Xilinx一直會(huì)擴(kuò)張。

　　出貨時(shí)間表

　　預(yù)計(jì)今年第二季度會(huì)推出16nm首款流片，提供給早期介入的客戶(hù)。2015年第四季度會(huì)有樣片。如果要量產(chǎn)的話(huà)還需要兩年左右的時(shí)間。

　　小結(jié)

　　Xilinx的16nm產(chǎn)品推出了一系列組合拳，邏輯、處理、存儲(chǔ)、模擬，高集成、低功耗，功能可謂強(qiáng)大。不僅如此，Xilinx還希望通過(guò)軟件工具來(lái)吸引更多的軟件人員，以達(dá)到這樣的境界：只管用工具來(lái)設(shè)計(jì)，至于是神馬芯片并不重要。