28nm FPGA带来的巨大性能提升

今年3月，赛灵思声称推出全球半导体领域第一款28nm产品——kintex-7 325T，这是该公司28nm系列中的中端产品。紧接着6月份，赛灵思推出第二个28nm产品，也是该公司28nm系列的高端产品Virtex-7，并声称“实现前所未有的连接功能、DSP处理能力和逻辑密度水平。”

差不多的时间，Altera也宣布了其28nm FPGA的三大产品：Stratix V，Arria V和Cyclone V。

那么，这些采用最昂贵工艺的28nmFPGA在性能上的突破是否“物有所值”？“根据我们在客户中进行的调研，28nm时代， 客户呼声最高的是功耗。所以赛灵思28nm产品把功耗放在了研发的首要位置。通过一系列的创新， 赛灵思在28nm产品上实现了功耗减半， 性能加倍，成本也减半的重大突破。这些创新技术在未来几年内将颠覆我们现有的系统设计模式。”赛灵思公司亚太区销售及市场总监张宇清表示。因而，功耗成为这两家FPGA巨头竞争的重要指标，而工艺又是功耗指标的基础。

“两年前，赛灵思开始和TSMC展开合作，共同开发HPL工艺，我们称之为28nm高性能低功耗工艺。HPL工艺的好处在于它可以降低静态功耗，而不必在性能方面做出妥协。因此，赛灵思28nm产品线全部采用了28nmHPL工艺技术，并且比28nm HP技术有更低的静态功耗。如果在相同运行速度下，HPL工艺的静态功耗甚至比28nm LP工艺技术的还低。根据业界相关报道，在量产方面，28nm HPL技术也具有更低的风险性，因为它使用的不是SiGe拉伸，这种技术量产的时候情况很复杂。所以许多著名的客户加入28nm HPL阵营也并不令人吃惊。”张宇清阐述其采用的HPL工艺时，一直是非常自豪的。“因此我们与台积电通力合作，针对FPGA打造了一个理想的高效低功耗工艺，并把这种创新与赛灵思针对FPGA芯片设计提供的和通过设计自动化软件实现的功耗优化完美结合。和上一代相比，7系列FPGA在同等性能下，功耗和成本分别降低了一半。”比如Virtex-7 系列产品相对前代产品而言，系统性能提高一倍，速度提升 30%，功耗降低 50%。

当然，Altera 也同样表示，他们具有业界领先的低功耗。“比如中端Arria V器件系列采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工艺进行开发，有利于在成本、性能和业界领先的低功耗方面达到均衡。中端FPGA（500K逻辑单元）最大功耗800 mW；中端FPGA中低功耗串行收发器6G时每通道最大功耗100 mW，10G时每通道最大功耗140 mW。”Altera亚太区资深市场经理罗嘉鸾也很自豪地表示。而高端28nm Stratix V FPGA通过关键技术，与前代产品比，总功耗也降低了30%。具体的降功耗方式采用了1）专利可编程功耗技术，提高了内核性能，同时降低了功耗。2）TSMC 28-nm高K金属栅极高性能工艺，针对低功耗进行了优化。3）0.85-V内核电压。4）部分重新配置 。5）嵌入式HardCopy模块和集成内核，以及收发器硬核IP。

除了降功耗竞争外，I/O和DSP能力也是两家竞争的焦点。Xilinx称Virtex-7系列最多可提供96个速度高达28Gbps的串行通道。串行带宽达2.7Tbps。单芯片DSP带宽5.1T MACC；可提供3,960个运行速度高达700MHz。在单芯片容量方面，支持200万个逻辑门，“是之前任何 FPGA 逻辑的2倍。”张宇清表示。

而Altera则称，“我们开发了世界上第一款具有28-Gbps收发器的FPGA。Stratix VGT的工程样片已经在今年的八月份开始发售。另外，在存储器上，Stratix V也可以支持800 MHz的6 x72 DDR3存储器接口。在Arria® V和Cyclone® V FPGA这两个产品上，也将有硬的DDR３存储器接口，让客户在设计上，例入时序上更简单方便。”单片容量方面，罗嘉鸾表示加上嵌入式HardCopy模块，单片上可容纳14.3M ASIC逻辑门或者1.19M逻辑单元这样一个惊人的单片容量。

在推出Kintex-7 K325T时，Xilinx表示，该器件是同类FPGA中第一个实现功耗大幅削减而为 LTE 无线射频卡和下一代无线基站提供每美元最多通道数量的产品。此外，Kintex-7 支持平板显示屏、便携式超声波设备和许多其他应用，并提供了包括高宽带、低抖动的串行收发器所要求的出色性价比，可以满足价格敏感型有线通信应用的苛刻要求。“以高清视频监控为例，FPGA的作用不可小觑。高清监控，数据流量非常大，需要更高的处理能力，并且还要提供自动曝光、高效的自动白平衡求和高动态范围等功能，传统DSP已经难以应付，需要FPGA共同完成。”张宇清解释。

而高端的28nm Virtex-7可以满足路由器、交换机、100GE 线路卡、面向集成式多路复用器/转发器应用的 100Gb 光传输网络 (OTN) 复用转发器、300G Interlaken 桥接器和 400G 光网络卡等有线通信设备需求，特别是满足这些应用的高速低抖动串行收发器要求。在需要 10G-SDI、10GE、PCIe等通用接口标准的广播应用中，产品开发人员可用单个 FPGA 实现方案来替代 ASIC 和多芯片组 ASSP 解决方案。需要下一代高分辨率系统的医疗设备也能发挥 FPGA 相对于传统 ASIC/ASSP 在灵活性和产品上市进程方面的优势。Virtex-7 产品还能用于无线基带处理，替代分离的 DSP 处理器和定制 ASIC，从而满足极高性能数字信号处理需求。此外，这些超高端器件还提供了构建下一代测试测量设备所需的逻辑密度、性能和I/O带宽。即使系统仍可采用ASIC 解决方案，但采用 Virtex-7 FPGA相对而言还能帮助设计人员在原型和仿真阶段减少器件使用数量，从而降低成本以及互联/设计的复杂性。

而在Altera方面，他们的高中低端正28nm产品分别可以满足以下主要市场需求：

Stratix V GT FPGA提供28G收发器，适用于需要超宽带和超高性能的应用。例如40G/100G/400G应用。

Stratix V GX FPGA集成14.1-Gbps收发器，支持背板，芯片至芯片和芯片至模块。适用于高性能、宽带应用。

Stratix V GS FPGA集成14.1-Gbps收发器，支持背板，芯片至芯片和芯片至模块。适用于高性能精度可调数字信号处理(DSP)应用。

Stratix V E FPGA在高性能逻辑架构上提供952K 逻辑单元，适用于ASIC原型开发。

Arria V FPGA (GX 和GT) 硬核IP功能以及集成10G收发器等特性使得Arria V FPGA成为满足中端应用性能和各种标准需求的理想选择，这些应用包括无线、固网、广播和视频等最终市场。

Cyclone V FPGA （E，GX 和GT）能够满足大批量应用所需要的功耗、成本和性能要求，这些应用包括协议桥接、电机控制驱动、广播视频转换器和采集卡，以及手持式设备等。

TSMC的28nm 量产能否顺利进行？

尽管以前Xilinx不在TSMC代工，但是从28nm起，它与Altera 一样都开始在TSMC代工了，而TSMC能否顺利进入28nm工艺的量产也是业界较为关心的话题。

“我们不方便对TSMC 28nm工艺量产的挑战发表评论。然而，我们非常有信心，我们的28nm技术将按照我们最初的规划，将在2012年上半年，从样片走向量产。Kintex将是首先进入量产的28nmFPGA。”张宇清表示。

而罗嘉鸾对于量产也充满信心。她解释，在半导体行业里，有所谓工程样片（Engineering Samples ES）跟生产器件（Production ）。两者的设计跟生产工艺上是一致的，分别只在于是否已经完成了所需的详尽测试和可靠性报告而已。即使在ES着阶段，也可大量生产。从我们过去超过十六年跟TSMC 的紧密合作，已经建立了一套非常完备的工艺优化的流程， 而且双方都有很深厚的互动，多年来合作积累下来的默契。这些都不是短时间内能达成的。目前我们公司内部对28nm 量产方面的进度很满意，非常有信心在不久的将来可以进入量产的阶段，再一次创造另一个里程碑。