赛灵思全新7 系列产品刷新FPGA 技术 - Xilinx

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三大系列 28nm 器件成功融入主流高端 ASIC 和 ASSP 市场作者:Mike Santarini 《Xcell杂志》发行人 mike.santarini@xilinx.com 自上世纪 80 年代中期 FPGA 作为 1,500 ASIC 等效门器件首次进入市场以来,FPGA 已经取得了长足的发展。二十年后,随着赛灵思新款 7 系列的推出, FPGA 准备实践其曾经的承诺,即在某天完全取代 ASIC,成为电子行业的主流逻辑 IC。随着 7 系列 FPGA 的推出,通过更低的传统上由 ASIC 和 ASSP 占据主要地位的中低批量应用市场的总拥有成本,同时为大批量应用市场提供等同的总拥有成本,赛灵思进而从 PLD 生产商摇身一变成为了一流的逻辑 IC 供应商。另外,这种总拥有成本上的优势与传统上 FPGA 能够加速产品面市和降低风险的优势实现了充分结合。总体而言,所有这些因素意味着 FPGA 正在作为大多数应用事实上的逻辑 IC 而兴起。在发布的 7 系列中,赛灵思将推出前所未有的 200 万逻辑单元 FPGA,其容量是目前最强大的 Virtex ® -6 器件的 2.5 倍。按照咨询对象、设计方法和针对应用的不同,最强劲的 7 系列 FPGA 可以提供介于 1,500 万到 4,000 万等效 ASIC 门之间的所有功能。因此,在过去 10 年里,赛灵思在同等价格的情况下将 FPGA 的容量提升到了其 10 年前所推出产品的 30 倍以上。不过大幅度提升容量只是 7 系列整个故事的开端而已。这些大容量 FPGA 的运行速度比上一带的 Virtex-6 更快,但功耗却只是后者的一半。赛灵思首席执行官 Moshe Gavrielov 表示:“ASIC 既没有消逝,也不会全部退出市场。不过它们仅适用于批量极大的应用。在设计过程中,我们曾经对为什么要用 FPGA 心怀疑虑,现在我们则会问为什么不用 FPGA 呢?” 2010年 2010年秋季刊封面专题新推出的 7 系列是第一款完全由 Gavrielov 负责开发出来的赛灵思 FPGA 系列。在 2 0 0 7 年加入赛灵思之前 , Gavrielov 曾担任设计工具提供商 Verisity 的首席执行官。在此之前 ,他曾经在 ASIC 公司 LSI Logic 从事过多年的管理工作。Gavrielov 让赛灵思走上了快速发展的道路,而驱动这种发展的主要推动因素就是业界领先的 FPGA 产品线—— 7 系列的重点所在,以及目标设计平台战略(具体请见《Xcell 杂志》第 68 期封面报道:http://www.xilinx.com/publications/ archives/xcell/xcell68.pdf)。为了实现这种增长,7 系列进行了多项重大改进,包括重点突出节能和大容量、更好总体系统性能的一体化可扩展新型架构(图 1)。从统一架构出发直到最近推出 7 系列前,赛灵思的 FPGA 产品线主要包括高性能的 Virtex 系列和大批量的 Spartan ® 系列。在赛灵思于上世纪 90 年代晚期推出这两个产品线的时候,Virtex 和 Spartan 器件使用的是大相径庭的架构。从用户的角度来看,这两个系列之间存在着显著的差别, 每种器件对应的 IP 和使用时的设计体验也是如此。如果想把终端产品的设计从 Spartan 设计扩展到 Virtex 设计,架构、 IP 和引脚数量的差异就会非常明显。反之亦然。但在采用 7 系列的统一架构后,上述差异将不复存在。从 7 系列开始,赛灵思不再使用 Spartan 品牌推出新器件,而是推出了能全面覆盖从低成本到高性能的三大系列构成的完整 FPGA 产品线。该产品线均采用了类似的 Virtex FPGA 架构 (见图 2)。 Virtex 仍然是 7 系列高端 FPGA 的名称。新款 Virtex-7 系列能够提供多达 200 万逻辑单元的惊人容量,性能则在以 5
封面专题前几代产品的系统性能的基础上提升两倍以上。作为低成本市场上 S p a r t a n - 6 FPGA 的平稳过渡,新款 ArtixTM-7 系列将面向低成本、低功耗应用在价格、功耗和小尺寸方面引领整个行业。三个系列中的最后一个系列完美地填补了高端的 Virtex-7 和低端的 Artix-7 之间的空白。KintexTM-7 具有优异的性价比优势,是赛灵思用于替代主流 ASIC 和 ASSP 的平台。 2x Price / Performance ASICs/ASSP Market 赛灵思可编程平台开发高级副总裁 Victor Peng 预计,像 Kintex-7 这样的中坚产品便于赛灵思提供综合而完整的产品系列,从而适用于更多的应用。 Peng 表示:“以前,为了填补中端市场,赛灵思需要同时开发一款 Spartan 的高性能、大容量版本和一款 Virtex 的低成本、小容量和低性能版本。但是 Spartan 和 Virtex 在架构、IP 和引脚数量方面存在显著差异。现在,Artix、Kintex 和 Virtex 系列均采用统一的 7 系列架构, 6 赛灵思中国通讯 37 期 2x System Performance 40nm FPGA Market 2x Power Reduction 客户能够更加方便地在系列间移植设计, 让其 IP 投资发挥出更大的成效。” 因为可扩展式处理平台(EPP)和 7 系列器件均使用相同的 Virtex 逻辑架构结构,客户还可以把 7 系列上的设计块移植到即将发布的 EPP 逻辑部分(详见《Xcell 杂志》第 71 期封面报道:http:// www.xilinx.com/publications/archives/ xcell/Xcell71.pdf)。此外,该通用逻辑架构还支持 ARM AXI4(高级可扩展接口) 协议。这意味着赛灵思的内部 IP 开发人 7 Series (28nm) 图1 — 赛灵思最新 7 系列进一步丰富了 FPGA 产品员和数以百计的 IP 合作伙伴可以更加方便地就赛灵思 FPGA 选用并实施兼容于 AXI 的 IP。如果许多客户已经构建了兼容于 AXI 的 IP,这样就能更加便于把设计从 ASIC 或者 ASSP 移植到 7 系列 FPGA。 2.5x Capacity Peng 指出,除了能够给客户和 IP 合作伙伴带来重大优势,该统一架构还能让赛灵思今后的开发工作更加重点突出、分工明确。Peng 表示:“这意味着我们的企业可以一次性完成相关工作。” 28nm HPL:功耗、容量和性能的完美组合随着新款 7 系列的推出,赛灵思通过与台湾晶圆厂 TSMC 合作,引入了最新优化的高 k 金属门(HKMG)高性能、低功耗(HPL)工艺,完成了制造策略的调整,使之进一步与现代 IC 设计的实际情况相结合。过去,FPGA 厂商都是在晶圆厂推出最新的半导体工艺之后,立即在其性能最高的变种上实施设计。不过,从 90nm 工艺开始,漏电就成为一个严重的问题。而且该问题针对 65nm 和 40nm 更为严重。在 28nm 工艺节点上,如果不加以处理,漏电电流将占器件功耗的 50% 以上。除了在器件没有工作的时候还耗用电力,运行时的漏电电流还会产生额外的热量,而这种热量会进而加重漏电。特别是对连续使用的高性能应用而言,这种恶性循环会缩短器件的寿命, 导致灾难性的 IC 故障。这会严重影响在给定应用中使用 FPGA 的可行性以及系统的可靠性。在限制 28nm 的高性能工艺的漏电问题上,晶圆厂已经取得了重大进展。赛灵思与其新的晶圆厂合作伙伴 TSMC 合作,针对 7 系列对该厂的新款 HKMG HPL 工艺进行了优化,重点是在缩小几何尺寸的同时提高容量和系统性能,同时降低功耗。 Peng 表示,通过用 HPL 工艺取代 HP 工艺,赛灵思可以将功耗降低 50%, 而性能方面的降幅只有 3%。通过融合 HPL 工艺与在 7 系列中实现的综合性强化节能措施,与上一代密度相同的产品相比,可以让总体能耗下降 50%。 Peng 表示, 50% 的能耗下降可以带给设计小组两个选择:“在 7 系列中以此前一半的功耗实现类似规模的 Virtex-6 或者 Spartan-6 设计,或者在 [ 新 ] 设计
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