超越摩尔定律:堆叠硅片互联改变FPGA产业格局

     随着FPGA 的作用在系统设计中的日益凸显，需要更大的逻辑容量和更多的片上资源。到日前为止，FPGA 主要遵循摩尔定律的发展速度来应对这种需求，每一代新工艺技术增加近两倍的逻辑容量。然而，要跟上当今高端市场的需求增长步伐，就需要必须超越摩尔定律。为了满足上述需求，赛灵思采用创新堆叠硅片互联(SSI)技术来构建FPGA，使其与最大型FPGA 芯片相比，带宽和容量相当甚至更高，同时将功耗降至最低。

　　世界最大容量FPGA: Virtex-7 2000T

　　赛灵思推出采用堆叠硅片互联(SSI)技术的世界最大容量FPGA: Virtex-7 2000T。这款包含68 亿个晶体管的FPGA具有1,954,560 个逻辑单元，容量相当于市场同类最大28nm FPGA 的两倍。这是赛灵思采用台积电(TSMC) 28nm HPL工艺推出的第三款FPGA，更重要的是，这也是世界第一个采用堆叠硅片互联(SSI) 技术的商用FPGA。

　　Virtex-7 2000T 器件为设备制造商提供了一个集成的平台，能帮助他们在提升性能和功能的同时降低功耗。由于消除了电路板上不同IC 间的I/O 接口，系统的整体功耗得以显著降低。同时，因为电路板上需要的IC 器件数量减少，客户能降低材料清单成本、测试和开发成本。此外， 由于芯片在硅中介层上并排放置，SSI 技术能够避免多个芯片堆叠造成的功耗和可靠性问题。中介层在每个芯片间提供10,000 多个高速互联，可支持各种应用所需要的高性能集成。

　　超越摩尔定律，引领FPGA发展新潮流

　　传统上，FPGA 厂商习惯于采用最新芯片工艺技术来实现他们的新架构，充分发挥摩尔定律的作用，这样晶体管的数量每22 个月就能随最新芯片工艺技术的推出而翻一番。过去20 年，FPGA 厂商一直遵循摩尔定律的发展，不断推出新的FPGA，实现器件容量的倍增。

　　赛灵思公司全球高级副总裁，亚太区执行总裁汤立人(Vincent Tong)指出：

　　根据摩尔定律，FPGA做不到200万的逻辑单元，28nm最大也只可以达到大概100万逻辑单元，但是由于堆叠互联技术，我们可以达到200万逻辑单元，并且，最重要的是我们现在就可以供货，客户可以马上着手如此高性能FPGA的设计。在半导体行业最大的CPU能达到30亿左右。而2000T是半导体历史上最大的半导体，有200万的逻辑单元，没有其他的FPGA，也没有其他的半导体可以做到那么大的容量。

　　针对Virtex-7 2000T，赛灵思打造了堆叠硅片互联(SSI) 技术。该技术在无源硅中介层上并排连接着几个硅切片(有源切片)，该切片再由穿过该中介层的金属连接，与印制电路板上不同IC 通过金属互联通信的方式类似。通过这种技术，赛灵思让器件的发展步伐超过了摩尔定律的速度，使赛灵思站在了28nm FPGA的顶端，引领着FPGA行业的发展。

　　赛灵思堆叠硅片互联(SSI)技术

　　为了克服限制和障碍，赛灵思已经开发出一种新的方法来实现大容量FPGA 的批量生产,那就是堆叠硅片互联技术。该新型解决方案能够大量增加连接的数量，实现多个芯片间的高带宽连接。与多个FPGA 方法相比，还能显著降低时延和功耗，同时能在单个封装中集成大量互联逻辑和片上资源。

　　在FPGA 系列的密度范围内，中密度器件是“最佳选择”。这是因为与前代器件相比，同一芯片尺寸上的容量和带宽有显著提升，而与同一系列中的最大型器件相比，它们能够在FPGA 产品生命周期的早期阶段就可以交付。因此，通过将多个这种芯片集成到单个器件内，就可以达到并超过最大型单片器件所提供的容量和带宽，但同时又具有小型芯片的生产优势和即时量产优势。赛灵思用一种创新方式将多种业经验证的技术进行优化组合实现了该解决方案。通过将硅通孔(TSV) 和微凸块技术与其创新型ASMBLTM 架构完美组合，赛灵思正在构建新系列FPGA 产品，其容量、性能、功能和功耗特性足以应对“可编程技术势在必行”这一发展趋势。图1 是由4 个FPGA 芯片切片、硅中介层和封装基片构成的堆叠芯片顶视图。赛灵思利用堆叠硅片互联技术将增强型FPGA 芯片切片与无源硅中介层相集成，所开发出的堆叠芯片实现了成千上万条芯片间连接，能够提供超高芯片间互联带宽，功耗显著下降，且时延仅为标准I/O 的五分之一。

　　2.5D和3D堆叠技术的发展和意义

　　说到2.5D和3D可能大家都不陌生，赛灵思是全球第一家公司可以做到2.5D堆叠技术的，不仅仅对于赛灵思来说，对整个行业来说，2.5D在FPGA行业中扮演什么角色呢?3D是非常尖端的技术，3D是什么意思呢?汤立人(Vincent Tong)解释到3D是把不同的IC堆叠在一起。两个都是IC，都有晶体管在里面。每个IC都是主动的，有功耗，需要电源的。为什么现在变成2.5D呢?2.5D定义就是这两个主动IC放到被动的介质上。下面有连接，把两个主动IC连接起来。因为是被动不需要电源，没有晶体管在里面，因而具有独特的功耗优势，也是我们说的SSI——堆叠硅片互联技术。

　　现在这个行业要做2.5D，为什么从3D变成2.5D呢?因为现在3D面临非常多挑战，主要有3点：首先，3D是垂直的堆叠，把两个主动IC用微凸快(micropum)连在一起，微凸快是一种新兴技术，中间有非常多的挑战。两个硅片之间有应力。举例来说，两个芯片本身的膨胀系数有可能不一样，中间连接的micropump受到的压力就很大，一个膨胀快，一个膨胀慢，应力就比较大。第二，硅通孔(TSV)有应力在，会影响周围晶体管的性能。如果从上面开到下面，应力非常大，会影响晶体管性能，是整个行业需要面对的问题。第三，热管理，如果两个都是主动的IC，散热就成为很大的问题。所以整个3D行业需要解决上面三个主要问题。

　　赛灵思在整个行业是具有领导地位的，很多人认为，现在我们做2.5D，2.5D是不是3D中间的过渡技术?我们认为不是。2.5D会一直走下去的，2.5D有自己的应用，不一定被3D所代替，2.5D有自己的路要走，所以我们选择做2.5D。

赛灵思亚太区销售及市场总监张宇清(左)，赛灵思公司全球高级副总裁，亚太区执行总裁汤立人(Vincent Tong)(中)，赛灵思公司产品市场营销总监Brent Przybus(右)

　　赛灵思亚太区销售及市场总监张宇清表示：2.5D还是很重大的跨越，虽然我们同时给大家介绍了现在赛灵思能够做到的技术和未来的3D技术。大家都觉得还是3D好，一定是未来的比较好。现在2.5D比传统的多芯片MCM封装有很大超越了，因为多芯片封装延时更长，必须要通过金属线，传统多核CPU是多芯片的封装，要消耗很多IO资源。

　　总结

　　作为唯一一家采用堆叠硅片互联技术创造出拥有无以伦比的芯片间带宽的超高容量FPGA 的制造商，赛灵思在系统级集成领域实现了新的重大突破。堆叠硅片互联技术使赛灵思的每个工艺节点都能实现最大的逻辑密度、最高的带宽和最丰富的片上资源，并以最快的速度投入量产。相信摩尔定律的超越一定会给整个FPGA产业带来翻天覆地的变化，让我们来期待吧。