16 nm FinFET+技術帶來FPGA的巨大變革

本刊記者 薛士然

16 nm FinFET+技術帶來FPGA的巨大變革

本刊記者 薛士然

Xilinx的20 nm FPGA器件于2014年12月底實現了量產，僅僅兩個月之后，Xilinx宣布推出了其 16 nm UltraScale+系列FPGA、3D IC和MPSoC，憑借新型存儲器、3D-on-3D和多處理SoC技術，這一系列產品將為客戶帶來更多的價值。

據Xilinx公司全球高級副總裁、亞太區執行總裁湯立人介紹，此次推出的16 nm UltraScale+系列產品主要面向五大應用：LTE Advanced、早期5 G無線、Tb級有線通信、汽車駕駛員輔助系統和工業物聯網應用，這五大應用都需要較高的性能功耗比、集成性與智能化和保密性、安全性與可靠性。

UltraScale+中的諸多首創

UltraScale+系列采用臺積電的16 nm FinFET+技術，故而對晶體管的漏電流控制得比較好，所以性能提高很多，單就平面提升而言，UltraScale+FPGA系統的系統級性能功耗比就提高了2倍，MPSoC系統級性能功耗比提升了約5倍。

據湯立人介紹，一個20 nm的Xilinx SoC上就已經集成了190億個晶體管，進入到16 nm制程，高集成度已經無需置疑，而且UltraScale+還采用了3D-on-3D技術，即將3D晶體管和3D IC相結合，這在業內還是首創。Fin-FET相比平面晶體管實現的性能功耗比已經是非線性提升了，再加之3D IC相比單個器件實現的系統集成度和單位功耗寬帶也是非線性提升，兩個非線性提升疊加，得到的性能提升就是非常可觀的，而且同時還降低了成本。

智能化的標簽從UltraScale+開始就出現在了FPGA上，Xilinx的SmartConnect是一種新型的FPGA互聯優化技術。UltraScale架構通過重新架構布線、時鐘和邏輯結構能夠解決芯片級的互聯瓶頸，SmartConnect則通過應用互聯拓撲優化滿足特定設計的吞吐量和時延要求，同時還可以縮小互聯邏輯面積。SmartConnect還能智能連接不同接口類型，能夠根據特定應用要求匹配合適的互聯方案。

在UltraScale+MPSoC中，Xilinx將應用處理、實時處理、圖形處理、電源管理、存儲器、可編程邏輯器等模塊集成在一起。通過虛擬化支持可提供32位到64位的處理器可擴展性，軟和硬引擎的結合實現實時控制、圖形/視頻處理，把波形和包處理與新一代互聯和存儲器、高級電源管理及其他技術增強功能相結合，實現多個不同等級的安全性與可靠性。通過在MPSoC上部署UltraScale+FPGA技術，不僅實現了異構多處理，而且還實現了“為合適任務提供合適引擎”。其單獨的安全單元可以實現軍事級的安全解決方案，如安全啟動、密鑰與庫管理和防破壞功能等，這都是設備間通信以及工業物聯網應用的標準要求。

UltraRAM這一新的存儲器技術的應用，解決了影響FPGA和SoC系統性能和功耗的最大瓶頸之一。利用這項新技術能創建用于多種不同應用場景的片上存儲器，包括深度數據包和視頻緩沖，實現可預見的時延和性能。工程師通過集成大量嵌入式存儲器與相關處理引擎，不僅能實現更高的系統性能功耗比，還可降低材料清單（BOM）成本。UltraRAM可以提供多種配置，容量最大可擴展至432 Mb，這一技術的應用對于8K/4K的視頻應用非常有意義。

工程師更關心16 nm以外的東西

Xilinx UltraScale+系列產品采用16 nm工藝制程，頗具有話題性，但是湯立人客觀地說：“其實采用什么樣的工藝或者多么先進的制程，這并不是工程師所關心的，他們只關心該如何來使用的問題。”

湯立人表示，很多客戶原來是開發ASIC的，轉到開發FPGA還是有難度的，Xilinx非常了解這一點，因此使用Xilinx的產品做開發設計，公司會提供一個設計流程（即UltraFAST），工程師只需要按照流程一步一步開發就可以了，最后做出來的產品方案都是非常好的，而且Xilinx提供專門的開發工具Vivado，幫助客戶實現產品的快速開發。在軟件工具之上，還有一個應用，會告訴工程師如何去做存儲，如何去處理數據，而且工程師開發的每一步都會有一個模擬測試和認證，只有成功了才可以進行下一步開發，避免發生前功盡棄的情況。

對于客戶來說，他們拿到芯片做開發的時候，完全不需要考慮里面處理器之間是如何工作的、信號是如何跳轉的，因為這個芯片對工程師來說完全是透明的，他們只需要使用Xilinx提供的工具進行開發，這樣既降低了開發難度，又加快了開發速度。

湯立人還表示，采用16 nm的UltraScale+產品系列是應用定制型的，公司未來會根據不同的應用推出加入不同模塊的產品型號。在16 nm系列產品推出以后，28 nm、20 nm的產品還會繼續推廣，畢竟不同的應用需要不同的產品來開發。

16 nm FPGA來了，你準備好了嗎？