唱响2013，20nm FPGA背后蕴藏的巨大能量

　　就在大家为28nm的FPGA器件2012年开始全面量产而振臂欢呼的时候，两大FPGA巨头又开始在力推其20nm的FPGA器件了。那么，20nm能让我们超越什么？对于像赛灵思（Xilinx）这样刚刚在28nm上花了巨资量产的公司，为什么又要去追20nm呢？

　　“业界对于应用的追求是无止境的。”赛灵思全球高级副总裁汤立人说道，“虽然28nm已能很好满足现今的需求，我们的Kintex-7上个季度发布超过 20M，并且All programmable的Zynq获得的Design机会目前已与FPGA相当，但是新的应用又在召唤我们前行，所以我们2013年会推出新一代的基于 20nm工艺的FPGA、All programmable SoC和3D IC等，与今天基于28nm的产品相比，又有了更进一步的提升。”

　　汤立人强调，同其他厂商比，Xilinx的优势在于，包括3D IC和All programmable SoC等技术，他们已在28nm上实现突破，并且已在批量出货了，“这使得我们在20nm时可以推出第二代性能更强、功耗更低的产品，这个非常重要，很多难题我们在28nm时解决，而不是留到20nm时才开始学习。”他解释，特别是3D IC这一最新的技术，它需要产业链的高度配合，包括晶圆厂、封装厂以及半导体设备厂商全部要一起协作来完成这一3D封装的高科技工艺。Xilinx在 28nm时不仅实现了同构架构的3D IC量产，还实现了异构3D IC的量产——Virtex-7 H580T，在无源硅中介层上将专用的28G收发器芯片与两个FPGA芯片并行放置。这样一来，赛灵思推出的器件就能提供8个28-Gbps收发器、48 个13.1-Gbps收发器和580k逻辑单元。对于基于 CFP2 光学模块的 2×100G 光学传输线路卡等应用而言，Virtex-7 H580T 不仅可将材料清单成本锐减五分之一，还能相对于上一代实现方案而言显著减少板级空间。

　　

　　图1：业界对于应用的追求是无止境的，下一代产品将满足未来众多创新应用。

　　汤立人解释，正在研究的20nm产品是为了满足如下最新的需求：1） 智能Nx100G-400G有线网络；2） LTE高级无线基站部署智能自适应天线、认知无线电技术、基带和回程设备；3） 高吞吐量、低功耗的数据中心存储、智能网络和高度集成的低时延应用加速；4） 图像/视频处理以及面向新一代显示、专业摄像机、工厂自动化、高级汽车驾驶员辅助和监视系统的嵌入式视觉；5） 面向几乎所有可以想象到的应用的尖端连接技术。

　　20nm带给我们什么样的科技进步？“从赛灵思来说，进入20nm， 并不是传统的FPGA简单地迁移到下一个节点。”汤立人特别强调。

　　

　　图2：因为有了28nm这个重要节点的突破与积累，20nm的3DIC等产品将具有更高集成度和性能。

　　在20nm，赛灵思目前正在开发其第二代SoC和3D IC技术，以及下一代的FPGA技术。“我们的领先优势包括FPGA性能/瓦的突破，与客户一起更好微调的更成熟的SoC和3D IC技术，与其下一代Vivado设计套件‘协同优化’的器件。”他称。赛灵思在系统中重新定义了高性能收发器的设计和优化。 这让赛灵思能够更有效地把20nm的附加价值引入领先的和业经证明的28nm技术之中， 让客户的创新继续保持领先一代。主要的技术突破来自以下几个方面：

　　一、从28nm到20nm FPGA进一步优化性能/瓦：将系统级性能提升2倍，内存带宽扩大2倍，总功耗降低50%，逻辑功能集成和关键系统建模加速1.5倍多。设计人员在高性能应用中，可以用到更高的速度架构及第二代专为系统而优化的收发器。而LTE无线、DSP和图像/视频应用的开发人员，可以利用其更快的DSP， BRAM和DDR4内存接口。所有应用都将受益于赛灵思的下一代路由体系结构， 可以轻松地扩展超过90％的资源利用率，实现更高的结果质量及更快的设计收敛。

　　二、第一代到第二代All Programmable SoC：赛灵思的28nm Zynq-7000 All Programmable SoC是行业第一个硬件、软件和I/O均可编程的器件。为在20nm继续居于领先一代的地位，赛灵思将借助一个新的异构处理系统，有效地提供更高的系统性能。 这个嵌入式系统将被用超过2倍的互连带宽耦合到下一代FPGA架构中。在芯片上的模拟混合信号性能将翻一番，同时可编程I/O将随着下一代DDR4和 PCI Express接口而升级。这种新级别的嵌入式处理性能和I/O带宽被赋予SoC级的功耗和安全管理。第二代All Programmable SoC将实现最高水平的可编程系统集成，并满足最严格的的系统级规格。

　　

　　图3：第二代3D IC专为更高性能、功耗和集成度而采用了异构设计。

　　三、从第一代到第二代All Programmable 3D IC：和一个纯粹的单芯片解决方案所可能达到的结果相比，赛灵思28nm同构和异构Virtex 3D IC把设计容量、系统级性能和系统集成的水平均整整翻了一番，提供了领先一代的价值优势。通过赛灵思堆叠硅片互连技术（SSIT）中的硅中介层，赛灵思 FPGA和收发器混合信号裸片和超过10，000个可编程互连集成在一起。

　　为在20nm继续领先一代，赛灵思将利用一个两级接口扩大其3D IC的架构，让同构和异构裸片的集成均能基于开放的行业标准实现。从而把逻辑容量扩展1.5倍或增加30-40M ASIC等效门的设计。此外，这些器件将拥有4倍的收发器带宽，利用> 33GB/s的收发器（最终到56GB/s）。此外，DDR4高性能存储器接口，以及具有更宽更高带宽、更低功耗的集成的存储裸片，将实现更高性能的应用。

　　四、针对结果质量和生产力从优化发展到“协同优化”：过去4年中，赛灵思从头全新开发了一个下一代的设计环境与工具套件 —Vivado。如果没有这样的设计套件，赛灵思公司的3D IC技术就不能得到有效的利用。对于FPGA和SoC，新的设计套件进一步把设计的结果质量（QOR）提升了高达3个速度等级，削减动态功耗高达50％，布线能力和资源利用率提升20％多，并加快实现速度高达4倍。

　　目前，赛灵思利用下一代Vivado 设计套件，进一步“协同优化”其20nm芯片器件。通过构建和优化工具，器件和IP相结合，设计人员可以最大化地释放芯片的价值，同时缩短他们的设计和实现过程。因此，这些新一代20nm的FPGA中，第二代All Programmable SoC和第二代3D IC技术将可以提供领先一个节点的性能优势，大幅降低功耗，提供业界最高水平的可编程系统集成，并进一步加速集成和实现的速度。

　　半导体行业的领导者正在逐步发现20nm的价值，而且一些设计已经正在进行中。不过，有一点要提的是，一些主流晶圆代工厂商在进入20nm时不会再同时研发几个工艺，因为投入实在巨大，可能到20nm时，比如TSMC等只会专注于开发HPL工艺了。