下一代FPGA有望實現(xiàn)突破性優(yōu)勢

　　定制方法提供了突破性功能

　　為滿足通信、國防、廣播和存儲對帶寬和性能越來越高的需求，為工廠自動化、汽車和消費類便攜式產(chǎn)品提供低成本和低功耗最優(yōu)解決方案——需要更廣泛專業(yè)的知識和工具。這包括，但是不限于：

　　■ 前沿的制造工藝技術(shù)

　　■ 在不同體系結(jié)構(gòu)和IP上的投入

　　■ 處理器和可編程架構(gòu)的高性能集成

　　前沿工藝

　　半導(dǎo)體供應(yīng)商投資于前沿工藝,他們的關(guān)鍵優(yōu)勢是擁有高級工藝技術(shù)。例如，新的3-D晶體管技術(shù)，它也被稱為三柵極或者FinFET晶體管技術(shù)，是工藝技術(shù)的新突破(參見圖3)。其晶體管泄漏降低了兩倍，能提高性能，或增強功率。

　　圖3.三柵極工藝技術(shù)

　　截至2014年第三季度Intel發(fā)售了5億多片基于FinFET技術(shù)的芯片，表明了其工藝已經(jīng)成熟，在基于FinFET的技術(shù)上有很好的經(jīng)驗。如果可編程解決方案公司能夠迅速高效的采用這些產(chǎn)品，就能夠大幅度提高性能。而且，客戶需要提高產(chǎn)品性能不僅可以利用這一3-D晶體管技術(shù)，而且會受益于今后越來越簡單的工藝。最近發(fā)布的Intel 14 nm三柵極工藝提供了這一工藝技術(shù)。

　　事實是，沒有一種工藝技術(shù)能夠滿足目前終端設(shè)備的各種需求——即使是工藝尺寸最小或者最“先進”的工藝。FPGA和其他可編程SoC產(chǎn)品供應(yīng)商如果只依靠某一種能夠滿足所有需求的方法，那將對客戶非常不利。

　　產(chǎn)品及時面市、成本、與其他組件的系統(tǒng)集成和產(chǎn)量等因素會促使采用其他工藝技術(shù)。例如，新的工藝節(jié)點很可能無法很好的支持高電壓I/O。其他類型的工藝節(jié)點在每I/O單位成本上會有較強的優(yōu)勢。因此，14 nm三柵極工藝是極低功耗實現(xiàn)最佳內(nèi)核性能的基礎(chǔ)，但并不一定是所有系統(tǒng)應(yīng)用的最優(yōu)方案。其他工藝技術(shù)能夠完善Intel的14 nm三柵極工藝，例如，TSMC的20SoC和55 EmbFlash，以實現(xiàn)多種系統(tǒng)設(shè)計目標。

　　例如，TSMC的20SoC工藝支持客戶在產(chǎn)品中采用下一代FPGA，在能夠使用14 nm器件之前，就可以投入到大批量寬帶基礎(chǔ)設(shè)施市場中。客戶的內(nèi)核性能得到了提高，與目前大批量應(yīng)用的功能相似的FPGA相比，系統(tǒng)可以運行在500 MHz以上，其ARM?處理器高達1.5 GHz，而功耗降低了50%。這一20 nm工藝是客戶滿足關(guān)鍵目標的基礎(chǔ)，例如，電信、數(shù)據(jù)中心和其他應(yīng)用所要求的單位比特成本和每瓦性能。嵌入式閃存工藝等其他工藝支持系統(tǒng)設(shè)計人員獲得單位I/O引腳最低成本，支持低功耗解決方案，還可以采用模擬電路和非易失閃存，而這是其他工藝在經(jīng)濟上無法實現(xiàn)的。

　　體系結(jié)構(gòu)和IP

　　為滿足比當今應(yīng)用高出四倍的帶寬性能需求，應(yīng)采用更先進的工藝技術(shù)。這需要新的邏輯體系結(jié)構(gòu)、新IP，以及新的串行連接等。

　　下一代體系結(jié)構(gòu)與前沿工藝技術(shù)相結(jié)合，能夠顯著提高內(nèi)核性能。例如，Altera最近發(fā)布了新的高性能體系結(jié)構(gòu)。與Intel的14 nm三柵極工藝結(jié)合后，其內(nèi)核速率達到了令人吃驚的1 GHz。

　　這一體系結(jié)構(gòu)極大的提高了數(shù)字信號處理(DSP)能力。這些DSP模塊已經(jīng)應(yīng)用于FPGA中，而浮點運算的效率會更高。FPGA支持其性能達到每秒10兆次浮點運算(teraFLOPS)。將提供每瓦每秒100 giga浮點運算(GFLOPS)，是性能最好、功效最高的解決方案之一，這對于現(xiàn)有DSP或者圖形處理單元(GPU)是無法想象的。這將在金融、能源、云數(shù)據(jù)分析等高性能、大數(shù)據(jù)量計算應(yīng)用中實現(xiàn)突破性功能。

　　通過提高數(shù)據(jù)速率、通道數(shù)量，包括更多的硬核特性，也將大幅度提高串行帶寬。FPGA公司宣布其下一代收發(fā)器技術(shù)數(shù)據(jù)速率將達到56 Gbps。Altera等公司目前提供的單管芯FPGA的收發(fā)器數(shù)據(jù)速率是28 Gbps。單單下一代FPGA的28 Gbps通道數(shù)量就將增加四倍，實現(xiàn)下一代100G光接口的多個例化，例如CFP2、CFP4和QSFP28等。采用自適應(yīng)判決反饋均衡器(DFE)等增強信號調(diào)理技術(shù)，即使是在電噪聲環(huán)境中，收發(fā)器也滿足了高損耗背板應(yīng)用需求。而且，使用增強前向糾錯(FEC)等技術(shù)，能夠克服30 dB通道損耗，延長背板傳輸距離，支持使用低成本材料，而不會犧牲系統(tǒng)誤碼率(BER)。功能的增強提高了收發(fā)器的可用性。例如，硬核物理編碼子層(PCS)模塊可以處理8b/10b和64/66b等多種編碼方法，還為Interlaken和10 Gbps以太網(wǎng)(GbE)數(shù)據(jù)流提供關(guān)鍵的處理功能。而且，為PCI Express? (PCIe?) Gen1、Gen2和Gen3提供全面的協(xié)議棧。今后的FPGA將大規(guī)模采用串行存儲器。串行存儲器接口采用了10-15 Gbps高速串行收發(fā)器，克服并行存儲器接口的帶寬、延時和功耗局限。請參見圖4。

　　圖4.28 Gbps工作，采用了Altera的20 nm工藝技術(shù)

　　雖然某些應(yīng)用需要最新的體系結(jié)構(gòu)、IP和串行技術(shù)，例如，400G解決方案，但是，這對于其他應(yīng)用不一定是最優(yōu)方案，反而有可能影響其功耗和成本目標。有必要針對不同的FPGA和不同的應(yīng)用而有選擇的使用這些技術(shù)。

　　處理器集成

　　FPGA總是能夠提高電路板上組件的集成度，而影響最大的是最近集成了基于ARM的硬核處理器系統(tǒng)(HPS)。HPS集成了獨立但是高度集成的處理器以及硬核外設(shè)和可編程邏輯，開發(fā)了芯片系統(tǒng)(SoC)解決方案。這種集成是從28 nm可編程邏輯技術(shù)和ARM Cortex?-A9處理器開始的，F(xiàn)PGA中的這種體系結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用，這些SoC的發(fā)展將為ARM處理器供應(yīng)商的長期產(chǎn)品發(fā)展路線產(chǎn)生積極影響。系統(tǒng)規(guī)劃人員現(xiàn)在有更多的選擇來提高集成度，增強系統(tǒng)性能、降低系統(tǒng)成本和功耗，減輕供應(yīng)鏈風(fēng)險。沒有采用這些可編程SoC的系統(tǒng)規(guī)劃人員會吃驚的發(fā)現(xiàn)：

　　■ 不同類型的器件系列有大量的SoC產(chǎn)品

　　■ 可編程邏輯和處理器之間的緊密集成提高了性能，降低了延時。

　　■ 工程師通過28 nm SoC、開發(fā)套件和工具來使用這一新技術(shù)

　　■ 部分FPGA供應(yīng)商提供ARM輔助系統(tǒng)支持

　　圖5顯示采用了ARM Cortex-A9處理器的第二代HPS模塊。

　　圖5.采用了ARM Cortex-A9處理器的第二代HPS模塊

　　下一代FPGA和SoC即將出現(xiàn)

　　28 nm工藝節(jié)點之后發(fā)布下一代PLD的第一家公司是Altera，推出了10代系列產(chǎn)品。Altera使用了定制方法，所有PLD提供商在其各種低成本、中端和高端產(chǎn)品系列中廣泛使用了不同的工藝技術(shù)、不同的體系結(jié)構(gòu)和IP以及不同的集成方法。第10代系列產(chǎn)品包括Stratix? 10以及Arria? 10 FPGA和SoC，滿足了需要一些中等速率收發(fā)器的應(yīng)用需求，以及需要多個28和56 Gbps收發(fā)器的應(yīng)用需求。通過在這兩種器件系列中采用定制方法，F(xiàn)PGA大幅度增強的功能是硬件規(guī)劃人員和系統(tǒng)設(shè)計人員還未預(yù)見到的。

　　硬件工程師使用目前一代Altera? FPGA，采用相同的高效能工具、IP和設(shè)計移植功能，充分發(fā)揮了這些FPGA的優(yōu)勢。軟件開發(fā)人員已經(jīng)能夠使用Altera的SoC開發(fā)套件和其他工具，針對ARM HPS進行設(shè)計。而且，設(shè)計工具流程的效能還會進一步增強。采用其他的設(shè)計工具和方法，例如開放計算語言(OpenCL?)等，支持采用C語言開發(fā)HDL，從而進一步縮短了設(shè)計開發(fā)時間。此外，Altera還認識到每年需要將編譯時間縮短兩倍才能跟上這些功能的快速發(fā)展。

　　結(jié)論

　　很多市場領(lǐng)域的系統(tǒng)規(guī)劃人員尋找ASIC和ASSP的替代方法，以及能夠滿足其帶寬、性能、集成度和功耗需求的解決方案。選擇好FPGA公司，其交付的產(chǎn)品在FPGA上具有前所未有的突破性優(yōu)勢。為能夠滿足客戶在很多最終應(yīng)用上的需求，還需要各種工具和選擇，例如，400G數(shù)據(jù)包處理、無線遠程射頻單元、數(shù)據(jù)中心和高性能計算等應(yīng)用需求。使用了定制方法的產(chǎn)品策略針對不同的應(yīng)用而采用不同的工藝技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)和集成選擇，為硬件規(guī)劃人員提供了最好的選擇和解決方案。Altera的10代系列產(chǎn)品定制了FPGA和SoC，在多種不同的應(yīng)用中突破了功能，突出了產(chǎn)品優(yōu)勢。

　　參考文獻

　　1. 思科視覺網(wǎng)絡(luò)指數(shù)(VNI)：全球移動數(shù)據(jù)流量預(yù)測更新，2012 – 2017：www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/ white_paper_c11-520862.html

　　2. 白皮書：采用28-nm FPGA設(shè)計多相DPD解決方案：www.altera.com/literature/wp/wp-01171-polyphase-dpd.pdf

　　3. Gartner報告，市場趨勢：全球，初次采用ASIC和ASSP的設(shè)計呈繼續(xù)下滑趨勢，2012

　　4. Altera網(wǎng)站：www.altera.com

　　5. Alter企業(yè)介紹

　　6. 福布斯網(wǎng)站：www.forbes.com/sites/greatspeculations/2013/01/22/intels-difficult-year-and- whats-ahead/