16 nm FinFET+技术带来FPGA的巨大变革

本刊记者 薛士然

16 nm FinFET+技术带来FPGA的巨大变革

本刊记者 薛士然

Xilinx的20 nm FPGA器件于2014年12月底实现了量产，仅仅两个月之后，Xilinx宣布推出了其 16 nm UltraScale+系列FPGA、3D IC和MPSoC，凭借新型存储器、3D-on-3D和多处理SoC技术，这一系列产品将为客户带来更多的价值。

据Xilinx公司全球高级副总裁、亚太区执行总裁汤立人介绍，此次推出的16 nm UltraScale+系列产品主要面向五大应用：LTE Advanced、早期5 G无线、Tb级有线通信、汽车驾驶员辅助系统和工业物联网应用，这五大应用都需要较高的性能功耗比、集成性与智能化和保密性、安全性与可靠性。

UltraScale+中的诸多首创

UltraScale+系列采用台积电的16 nm FinFET+技术，故而对晶体管的漏电流控制得比较好，所以性能提高很多，单就平面提升而言，UltraScale+FPGA系统的系统级性能功耗比就提高了2倍，MPSoC系统级性能功耗比提升了约5倍。

据汤立人介绍，一个20 nm的Xilinx SoC上就已经集成了190亿个晶体管，进入到16 nm制程，高集成度已经无需置疑，而且UltraScale+还采用了3D-on-3D技术，即将3D晶体管和3D IC相结合，这在业内还是首创。Fin-FET相比平面晶体管实现的性能功耗比已经是非线性提升了，再加之3D IC相比单个器件实现的系统集成度和单位功耗宽带也是非线性提升，两个非线性提升叠加，得到的性能提升就是非常可观的，而且同时还降低了成本。

智能化的标签从UltraScale+开始就出现在了FPGA上，Xilinx的SmartConnect是一种新型的FPGA互联优化技术。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，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，同时还可以缩小互联逻辑面积。SmartConnect还能智能连接不同接口类型，能够根据特定应用要求匹配合适的互联方案。

在UltraScale+MPSoC中，Xilinx将应用处理、实时处理、图形处理、电源管理、存储器、可编程逻辑器等模块集成在一起。通过虚拟化支持可提供32位到64位的处理器可扩展性，软和硬引擎的结合实现实时控制、图形/视频处理，把波形和包处理与新一代互联和存储器、高级电源管理及其他技术增强功能相结合，实现多个不同等级的安全性与可靠性。通过在MPSoC上部署UltraScale+FPGA技术，不仅实现了异构多处理，而且还实现了“为合适任务提供合适引擎”。其单独的安全单元可以实现军事级的安全解决方案，如安全启动、密钥与库管理和防破坏功能等，这都是设备间通信以及工业物联网应用的标准要求。

UltraRAM这一新的存储器技术的应用，解决了影响FPGA和SoC系统性能和功耗的最大瓶颈之一。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。工程师通过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，还可降低材料清单（BOM）成本。UltraRAM可以提供多种配置，容量最大可扩展至432 Mb，这一技术的应用对于8K/4K的视频应用非常有意义。

工程师更关心16 nm以外的东西

Xilinx UltraScale+系列产品采用16 nm工艺制程，颇具有话题性，但是汤立人客观地说：“其实采用什么样的工艺或者多么先进的制程，这并不是工程师所关心的，他们只关心该如何来使用的问题。”

汤立人表示，很多客户原来是开发ASIC的，转到开发FPGA还是有难度的，Xilinx非常了解这一点，因此使用Xilinx的产品做开发设计，公司会提供一个设计流程（即UltraFAST），工程师只需要按照流程一步一步开发就可以了，最后做出来的产品方案都是非常好的，而且Xilinx提供专门的开发工具Vivado，帮助客户实现产品的快速开发。在软件工具之上，还有一个应用，会告诉工程师如何去做存储，如何去处理数据，而且工程师开发的每一步都会有一个模拟测试和认证，只有成功了才可以进行下一步开发，避免发生前功尽弃的情况。

对于客户来说，他们拿到芯片做开发的时候，完全不需要考虑里面处理器之间是如何工作的、信号是如何跳转的，因为这个芯片对工程师来说完全是透明的，他们只需要使用Xilinx提供的工具进行开发，这样既降低了开发难度，又加快了开发速度。

汤立人还表示，采用16 nm的UltraScale+产品系列是应用定制型的，公司未来会根据不同的应用推出加入不同模块的产品型号。在16 nm系列产品推出以后，28 nm、20 nm的产品还会继续推广，毕竟不同的应用需要不同的产品来开发。

16 nm FPGA来了，你准备好了吗？