关于Xilinx 16nm FinFET FPGA的四大亮点的分析和应用

2015年，基于FinFET 工艺的IC产品将大量面市，除了英特尔的X86处理器和一些ASIC处理器外，FPGA也正式步入FinFET 3D晶体管时代，2月23日，羊年大年初五，赛灵思率先发布基于16nm FinFET 3D晶体管的FPGA新品，再次创下业界第一，开启了FinFET FPGA的新时代。

与ASIC或者X86处理器相比，FinFETFPGA要复杂得多，它不是简单地把最底层的晶体管结构改变那么简单，它不但需要配套的开发工具的支持还需要在FPGA的内部结构上做革新，这样才可以把FinFET结构的优势发挥出来。

“在16nm领域我们继续领先一代。在28nm我们毫无疑问是领先的，20nm就更不用说了。我们并不是交替领先，而是第三次领先。所以可以称遥遥领先！”赛灵思公司全球高级副总裁，亚太区执行总裁汤立人在发布会上激动地表示。

基于他的介绍和一些背景资料，我们深度分析下赛灵思16nm FinFET 3D晶体管的FPGA的四大亮点。

一、 UltraScale+架构是什么？

与ASIC不同，FPGA的架构对其性能的影响非常大，ASIC的最底层就是晶体管门电路，升级到FinFET工艺后把原来2D结构的晶体管变成3D结构就可以了，但是FPGA不能这样简单升级，因为FPGA的底层晶体管结构牵涉到门电路的逻辑实现问题，所以在架构上必须慎重。

我注意到赛灵思采取了非常聪明的做法，这种做法类似互联网思维中的“迭代”---就是以成熟工艺实验新的架构和工具，再用先进工艺采用成熟的架构和工具！例如赛灵思在传统20nm 工艺时代开始FPGA架构的变革，把UltraScale引入，注入不是现在16nm的UltraScale+?架构哦，等20nm已经验证了这个架构后，在16nm在采用这个新架构UltraScale+?，所以这样的领先不仅仅是工艺的领先，是一种双重领先。

UltraScale架构推出是FPGA的一次革命性改进，以往的FPGA经常被ASIC厂商攻击一个软肋就是门电路的利用率问题，好的设计也就是用到90%左右的资源，因此10%的逻辑资源没有利用，消耗了成本、面积和功耗，这点经常被拿到做比较。而赛灵思的UltraScale架构为什么是革命性 改进呢？因为它可以把FPGA的利用率大大提升到95%左右！这基本把所有逻辑资源都用了！这和ASIC已经没有太多差别了！所以赛灵思一直称它是ASIC级的架构，确实是有道理的。

UltraScale架构已经很厉害了，这次16nm的UltraScale+?架构更强大，因为它还采用了全新的互联优化技术——SmartConnect，它可以提升互联的性能功耗比

我们都知道，系统内部连接是个大问题。问题随着系统越复杂而变得越严重——复杂的逻辑块连在一起，内部连接也跟着变复杂，所以随着工艺技术的演进，内部连接技术也需要同样革新！

“SmartConnect是一种新的创新型FPGA互联优化技术，通过智能系统级互联优化，可额外提供20%到30%的性能、面积和功耗优势。UltraScale架构通过重新架构布线、时钟和逻辑结构能够解决芯片级的互联瓶颈，而SmartConnect则通过应用互联拓扑优化满足特定设计的吞吐量和时延要求，同时缩小互联逻辑面积。”汤立人强调。

用通俗的话来理解，SmartConnect是提升了连接的效率，大大降低了连接的功耗。它带来了性能的大幅度提升。

二、全新Zynq UltraScale MPSoC新在哪里？

这次同时发布的还有号称全新的多处理SoC（MPSoC），这个器件新在哪里？

看看它的内部结构：
1、 一个四核A53处理器 CPU
2、 一个GPU Mali-400MP
3、 一个Cortex-R5 CPU
4、 电源管理单元，AMS单元
5、 H.265(HEVC)视频编解码器
6、 安全模块
7、 UltraScale FPGA 单元；

这其实就是一款异构处理器，如前所述，它是一款ASIC就级的异构处理器！而且是64位，采用16nm FinFET工艺的处理器！而且是采用FPGA实现硬加速的处理器！

汤立人特别指出这个系统还包括支持确定性操作（deterministic operation）的双核ARM Cortex?-R5实时处理器，从而可确保实时响应、高吞吐量和低时延，实现最高级别的安全性和可靠性。

另外，单独的安全单元可实现军事级的安全解决方案，诸如安全启动、密钥与库管理和防破坏功能等，这些都是设备间通信以及工业物联网应用的标准需求。

它还支持还支持Displayport、MIPI和HDMI。最后，该新器件还添加了专用平台和电源管理单元（PMU），其可支持系统监控、系统管理以及每个处理引擎的动态电源门控。

所以，Zynq UltraScale MPSoC 是赛灵思在异构处理器方面的一次成功探索，更大胆地说向处理器的终极目标迈进！未来的处理器必将是一种融合各处处理功能于一体，同时兼具灵活性的架构！ASIC也会往这个方向发展，例如AMD就在异构处理器领域做了很多探索。

三、3D-on-3D是什么？

这也是赛灵思引以为傲的技术，实际上，3D IC技术已经提出了很多年，真正有突破的是赛灵思在Vritex-7上实现的V7-2000T FPGA，这是全球第一个采用堆叠硅片互联 (SSI) 技术的商用FPGA。也是赛灵思和台积电合作的成果。

3D-on-3D技术就是把基于3D晶体管的FPGA再次实现3D结构，由于FinFET相比平面晶体管实现性能功耗比非线性提升很多，3D IC相比UltraScale架构3D IC来说，在集成度和单位功耗带宽又有非常达的提升。

四、UltraRAM---最新的存储器技术

FPGA的片上存储也是最关键的技术，这次16nm FinFET FPGA采用了称为UltraRAM的技术，通过对SRAM 集成的支持， UltraRAM解决了影响FPGA和SoC系统性能和功耗的最大瓶颈。

利用这项新技术能创建用于多种不同应用场景的片上存储器，包括深度数据包和视频缓冲，实现可预见的时延和性能。设计人员通过紧密集成大量嵌入式存储器与相关处理引擎，不仅能实现更高的系统性能功耗比，并可降低材料清单（BOM）成本。UltraRAM提供多种配置，容量最大可扩展至432 Mb。

这个技术带来的性能提升是惊人的！这是测试数据

“这样一来可以做到深度数据包缓冲、视频缓冲，这个非常重要，在4K/8K，视频应用方面缓存非常重要。在芯片内、芯片上做RAM，信号就不需要在芯片和芯片之间跑，所以无论在功耗、性能、成本方面，对我们有非常大的帮助，UltraRAM非常重要。”他指出。
汤立人在发言中指出，本次采用的工艺不是一起按报道的16nm FinFET而是16FF+，“16FF比Intel、三星的14差一点，后来就出了16FF+，跟16FF很不同的，比它性能提高15%，在功耗方面降低大概30%，这对整个行业都是非常重要的。”他表示，“我们用16FF+做UltraScale+。总体来说，16FF+加上UltraRAM加上智能互联，在性能功耗方面带来近两倍的提升，是三个最大的基础。预计今年有50款产品采用这个工艺技术。”

这个工艺带来的性能提升

16nm的FinFET主要瞄准的应用是400G OTN、8K电视、LTE Advanced、早期5G无线、Tb级有线通信、汽车驾驶员辅助系统以及工业物联网(IoT)等应用。

据汤立人透露目前针对所有UltraScale+产品系列的早期客户参与计划正在如火如荼进行。首个流片和设计工具的早期试用版本预计将于2015年第二季度推出。 首款发货预计在2015年第四季度。所以，今年四季度，我们就将看到正式的16nm FinFET 3D晶体管的FPGA了！