赛灵思：多重创新技术引领28nm潮流

从2010年初可编程领域首次超越CPU企业率先宣布进入28nm工艺节点开始，可编程平台的领导厂商赛灵思公司就没有让28nm的舞台冷场过，尤其是今年3月率先交付全球第一个28nm芯片—Kintex 7 325T，6月再次交付Virtex-7 485T所展示的强大的执行能力，不仅让其从竞争中脱颖而出，而且也让关注工艺进步和设计创新的整个电子行业对28nm的广泛应用充满期待。

多重创新应对三大挑战

进入28nm不仅只是工艺的提升，重要的是要解决阻碍FPGA进一步发展的三大挑战：首先是功耗的挑战，其次是提高系统的集成度，第三是提高设计效率。

赛灵思公司亚太区销售及市场总监张宇清对记者表示，过去一年中，赛灵思在28nm方面有很多前所未有的创新：功耗上降低了一半，和最接近的竞争对手比则降低了30%;尺寸上更小，电压降低到0.9伏～1伏，性能并没有减少;成本平均比上一代下降50%。

降低功耗是赛灵思28nm产品的首要目标。“客户的反馈也表明降低功耗是他们第一考虑的问题，因此也成为我们28nm研发最重要的课题。”张宇清说。赛灵思针对功耗进行了很多创新，从静态功耗、动态功耗和I/O功耗三个层面多重降低系统的整体功耗。张宇清介绍，降低静态功耗主要是通过工艺技术来实现的。赛灵思在工艺选择上，没有选择传统的高性能(HP)和低功耗(LP)工艺，因其产能风险比较大，良率不容易满足，且不能同时兼顾高性能和低功耗。赛灵思和台积电一起研发的28nm高介电层金属闸(HKMG)采用高性能低功耗工艺(HPL)，在两种传统工艺上取得平衡，在性能上和HP相比没有太多差别，但功耗却降低了一半多。此外就是在设计的时候用不同的氧化层厚度电极管，这样功耗会更加优化。

“在动态功耗上有很多线路设计的方法，包括时钟门控制、逻辑门控制、不带反转的逻辑临时断电，赛灵思通过工艺微缩、硬模块优化等来实现动态功耗的降低。”张宇清解释说，“在I/O功耗控制上，一般是双向使用的，但是当单向使用的时候，可以断掉另外一个方向的电——这完全是一个智能的优化环境。还有一些锁相环，不运行的时候也自动断电。此外，还有动态可重配置技术，在FPGA设计中，可以在局部进行实时的配置，有些模块不变的就固定，有些模块可以实时控制的在用完后跳入下一个模式，这样可以非常有效地降低功耗。”因此最后的结果是，I/O功耗降低了30%，动态功耗降低25%以上，静态功耗降低了65%，总体功耗降低了一半。

在提高集成度方面， 赛灵思首次在FPGA中采用3D IC技术的堆叠硅片互联(SSI)技术，可以把不同工艺节点的芯片堆叠在一起。这种技术可以让40nm和28nm芯片堆叠，数字和模拟IC堆叠。凭借这一技术，赛灵思引领整个可编程行业一举超越摩尔定律。“以前采用金属线互联时存在延时大，占用I/O资源等弊端。SSI技术则是通过把芯片堆叠在中介层，用穿孔技术互联，这样就能将延时控制在一纳秒以内，且不占用I/O资源。而且硅中介层可以是65nm的，工艺非常低。此外，传统金属连线最多只能有1300 多条连线，但堆叠硅片互联技术可达到1万多条。”张宇清表示。

在提高设计效率方面赛灵思也不遗余力。赛灵思在开发业界第一个28nm FPGA平台的同时也改进了赛灵思ISE设计工具，最新版的ISE 13.2专门针对7系列FPGA优化，实现了更快速的运行时间以及最多采用200万个逻辑单元的设计。赛灵思可在数小时内为一款7系列目标设计平台构建一个百分百可用的设计，并展现7系列器件的强大优势。“未来会有更多整合、更多集成，从布局、综合、布线、仿真到上板调试，如何优化工具的运行速度是很重要的，并且运行的时候要尽量少占用资源。在28nm FPGA产品，我们的运行速度提升了30%。以后百万逻辑门将可以控制在几个小时甚至一个小时之内，这是未来的目标。”张宇清指出。

这些前所未有的创新使赛灵思28nm产品在性能相当的前提下，功耗比上一代FPGA降低一半，成本平均比上一代下降50%。

Zynq系列助力FPGA进军嵌入式市场

赛灵思推出的将FPGA与ARM核集成的可扩展处理平台(EPP)Zynq7000系列，把FPGA推向了更广阔的SoC嵌入式应用市场。

Zynq系列集成了760个DSP引擎，性能超过910GMAC。并且FPGA跟ARM的连接架构专门采用处理器与FPGA定制的标准架构——AXI架构，其可实现3000个内部互联，带宽可达到100Gbps。而目前业界所采用的分立的FPGA和ARM的互联方案，其管脚非常有限，最多只能解决 1300个管脚。Zynq的另外一个优势是，以前FPGA是硬件可编程，有了Zynq系列之后便可通过ARM实现软件编程，因而可让更多的设计工程师包括 FPGA工程师、嵌入式工程师来使用。Zynq系列可广泛应用于智能视频监控、汽车驾驶员辅助系统、工控等2014年市场总值达127亿美元之巨的嵌入式市场。

张宇清最后提到，传统的FPGA市场规模达50亿美元，这一市场不会动摇，而嵌入式市场对FPGA来说是一个“蓝海”市场，Zynq系列将拓宽FPGA在嵌入式市场的应用，推动整个FPGA未来的成长。在产业链合作方面，赛灵思有着非常良好的第三方支持，全球有300多个合作伙伴，同时 Zynq的推出也把ARM庞大的生态合作伙伴纳入到FPGA应用中来。可以预见，一个FPGA应用的新时代即将到来。