肉搏開始了！賽靈思28nm 7系列FPGA加速取代ASIC！

　　如果把FPGA與ASIC之間的競爭看成一場戰(zhàn)斗，那么目前這場戰(zhàn)斗正從遠觀、叫陣、近戰(zhàn)發(fā)展到它的最后階段――肉搏!6月22日，賽靈思基于統(tǒng)一架構的28nm 7系列FPGA閃亮登場，本次發(fā)布的FPGA新品最大的亮點是功耗大幅度降低，同時性能、容量大幅提升!“7系列最大的目標是降低功耗!整個系列功耗降低50%!”在新聞發(fā)布會上，賽靈思公司質量管理和新產品導入全球高級副總裁亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人(Vincent Tong) 指出，“同時容量大大提升，高達200萬個邏輯單元!除了取代高端ASIC，7系列FPGA還將瞄準更多新興應用。”

　　一、不再回避功耗、尺寸敏感話題

　　和以前FPGA叫板ASIC的策略不同，這次賽靈思不再強調FPGA的靈活性了(或許大家早認同這個優(yōu)勢了)，這次賽靈思選擇了很多FPGA供應商想回避的話題的同時也是很多ASIC廠商總拎來打擊FPGA的兩個特性：功耗和尺寸。

　　“預計40nm FPGA市場到2014年的規(guī)?？梢赃_到70億美元，而那時ASIC/ASSP的規(guī)模會是600億美元，如果FPGA要擴大規(guī)模，就必須有更低的成本(更高的性價比)、更高的系統(tǒng)性能、更大的容量和更低的功耗，我們認為這其中最主要的關鍵是降低功耗!” 湯立人指出，“我們此次推出的7系列28nm FPGA系列，在系統(tǒng)性能上翻番，同時容量擴大兩倍，功耗降低一半，我們預計28nm 7系列FPGA可以將FPGA市場規(guī)模擴大到110億美元!”

　　這是新推出的3大系列產品，這三大系列產品都采用了統(tǒng)一架構，這個架構基于先前賽靈思高端Virtex系列架構，所有這些新系列產品均采用相同的架構構建塊(邏輯結構、Block RAM、時鐘技術、DSP切片、SelectIO 技術)，以不同比例組合，并針對不同應用進行了優(yōu)化，能滿足從最低到最高器件密度和功能需求。

　　很多人擔心此次推出的ARTIX系列會影響以前推出的Spartan系列FPGA，對此，賽靈思公司亞太區(qū)市場及應用總監(jiān)張宇清指出：“從過往的經驗看，每次新一代的產品推出對以往的產品影響并不大，例如spartan-6推出后，S3/S3A的銷量還是很大，V6推出后，并不影響V5的需求，所以7系列的推出與對賽靈思6系列影響不大，另外，雖然7系列中不再有spartan架構產品，但是賽靈思會繼續(xù)生產S6等spartan架構產品，S6和Artix系列的密度不同，所以S6會繼續(xù)服務很多小密度應用的領域。”

　　ARTIX系列將會瞄準很多高性能ASIC/ASSP應用的領域，例如便攜式醫(yī)療超聲設備、高端數(shù)碼相機等等，“中國現(xiàn)在實行醫(yī)療改革計劃，很多縣、鄉(xiāng)醫(yī)療所需要便攜式、操作方便的超聲、診斷設備，這將是ARTIX系列瞄準的一個主要應用。”湯立人指出，“目前高級數(shù)碼相機日益流行此外，預計到2010年數(shù)碼相機的銷售量達到1.5億臺，其中數(shù)碼單反相機將占上述相機總數(shù)的10%，其需求主要表現(xiàn)為避免IC過時、高精度電機控制、低功耗焊線封裝、零售價低于10美元等等，這個市場的數(shù)量并不是很大，因此成為ARTIX系列另一個應用主戰(zhàn)場，將給FPGA帶來7,500萬~15,000萬美元的巨大商機，目前已經有高端單反相機采用了賽靈思的FPGA產品。”

　　下圖顯示高端單反相機應用中用單個Artix-7 FPGA可代替9 個ASSP，可顯著降低成本、功耗和尺寸。

　　Kintex系列以Virtex-6 FPGA 一半的成本和功耗提供了與其相當?shù)男阅?，所以具備很高的性價比，這種高度優(yōu)化的產品旨在用于低成本信號處理，其提供豐富的 DSP切片、內部存儲器和 10.3 Gbps 的 GTX 串行收發(fā)器，且價格極富吸引力，適用于中等密度的應用需求。Kintex-7 FPGA 的邏輯密度從3 萬到 40萬邏輯單元不等，性能比 Artix-7 FPGA 高 40%，與 Virtex-6 FPGA 相當，速度比 Spartan-6 FPGA 提高 70%。 其瞄準的應用為無線基礎設備市場以及一些新興市場如3D TV市場，它可以廣泛部署于毫微微基站、超微 (pico) 基站和主流基站中。上述產品的串行連接功能、存儲器和邏輯性能也非常適用于大批量有線通信設備，如 10G 無源光網絡 (PON) 光線路終端 (OLT) 線路卡，可為家庭社區(qū)提供高速網絡。“未來我們家庭中會有很多毫微蜂窩基站，Kintex-7 FPGA 將會大量應用。”張宇清表示。

　　下圖顯示在2發(fā)2收無線LTE基站應用中，采用基于Kintex-7 FPGA 方案可以將原來基于virtex-6方案功耗降低48%!

　　與Virtex-6 FPGA 相比，Virtex-7 系列的系統(tǒng)性能翻了一番，功耗降低一半，速度提升30%，該系列產品針對通信系統(tǒng)進行了精心優(yōu)化，以最大型的 FPGA 支持最高性能和最高帶寬串行連接功能。Virtex-7 系列包含 Virtex-7T 和 Virtex-7XT 兩個子系列產品，屬于超高端產品之列，在嵌入式收發(fā)器、DSP 切片、存儲器模塊和高速 I/O 的數(shù)量與性能方面將 FPGA 技術發(fā)揮到了極致，為業(yè)界樹立了新的基準。

　　Virtex-7T 器件提供多達 36 個 10.3 Gbps GTX 串行收發(fā)器，具有超高端邏輯容量(邏輯單元多達 200 萬個)，而且實現(xiàn)了業(yè)界最高的并行 I/O 帶寬(SelectIO™ 引腳多達 850個)。這種 I/O 配置提供了最大數(shù)量的 72 位 DDR3 存儲器并行 bank，支持 2,133 Mbps 的性能。

　　Virtex-7XT 產品將功能進一步擴展，其單個 FPGA 就能實現(xiàn)最高串行帶寬，不僅可提供多達 72 個速度達 10.3 Gbps 的 GTH 收發(fā)器，或 80 個 GTH 和 GTX 收發(fā)器(其中24 個運行速度為 13.1 Gbps，另外 56 個運行速度為 10.3 Gbps)，而且還具有更高的DSP到邏輯比 (DSP-to-logic ratio)，可實現(xiàn)更高吞吐量，支持多達 3,960 個 600 MHz 的 DSP 切片，總性能達 4.7 TMAC。此外，7XT FPGA 還有更出色的片上BRAM到邏輯比，高達 65 MB，可滿足低時延數(shù)據(jù)緩沖要求。賽靈思將在本系列中增加帶有 28 Gbps 收發(fā)器的產品，具體情況將稍后披露。

　　湯立人指出Virtex-7 FPGA 旨在滿足最高性能無線、有線和廣播基礎設施子系統(tǒng)的需求。Virtex-7 FPGA 的 TeraMACC 信號處理能力支持 400G 橋接和交換結構有線通信、高級雷達和高性能計算系統(tǒng)。產品開發(fā)人員可用單個 FPGA 的 100GE 線路卡實施方案取代 ASIC 和多芯片組 ASSP 解決方案，以增加帶寬，從而滿足集成式多路復用器/轉發(fā)器應用中100GB 光傳輸網絡 (OTN) 復用轉發(fā)器、300G Interlaken 橋接器以及 400G 光網卡的需求。此外，這種超高端產品還提供了構建新一代測試測量設備所需的邏輯密度、性能和 I/O 帶寬。如果系統(tǒng)確實需要采用 ASIC，那么 Virtex-7 FPGA 可幫助設計人員在原型設計和仿真階段減少器件數(shù)量，從而降低成本，減少互連/設計的復雜性。

　　下圖顯示Virtex-7 FPGA 在有線通信橋接應用中，其I/O帶寬比相應的ASIC產品提高30%!但是功耗卻相當!此外，系統(tǒng)成本可以降低15%!這對于很多系統(tǒng)開發(fā)人員來說相當有誘惑力。

　　二、7系列FPGA的開發(fā)與移植

　　賽靈思7系列FPGA采用統(tǒng)一架構的目的就是讓開發(fā)人員的方案可以輕松移植，例如采用Aritex-7的毫微蜂窩基站可以輕松升級到2×2遠程無線基站應用或者設計到更高端采用Virtex-7的8×8無線基站，在具體開發(fā)中，依舊利用賽靈思提出的目標設計平臺可以輕松完成開發(fā)。“7系列FPGA成為目標設計平臺的一個基礎平臺，利用賽靈思提供個ISE設計套件、參考設計和IP可以輕松完成設計。”張宇清表示，“另外，開發(fā)人員還可以使用AXI IP生態(tài)系統(tǒng)，就是把ARM生態(tài)系統(tǒng)中的IP應用到7系列中來。”

　　“以前賽靈思采用spartan和virtex兩個系列產品，當用戶要升級的時候需要重新開發(fā)一套IP來，這樣就增加了開發(fā)工作量，我們在對用戶需求做調查后發(fā)現(xiàn)，很多用戶對統(tǒng)一架構持積極的贊成態(tài)度，這樣，實際可以幫助客戶節(jié)省了大量的IP開發(fā)時間。”湯立人補充道。

　　從目前的趨勢來看，隨著微電子技術的發(fā)展，半導體硬件成本不斷下降，性能卻不斷提升，系統(tǒng)開發(fā)人員需要從軟件入手提升產品差異性，如果能節(jié)省大量基礎性軟件開發(fā)工作，讓開發(fā)人員將更多精力用于差異性開發(fā)則會大大提升開發(fā)效率，統(tǒng)一架構FPGA的出現(xiàn)無疑符合了這一需求。

　　三、7系列FPGA低功耗技術揭秘

　　7系列FPGA如何實現(xiàn)了功耗的大幅度降低?顯然，單單提升工藝技術難以實現(xiàn)這么大幅度的降低，湯立人也分享了7系列FPGA低功耗的幾個小秘密，總結起來，賽靈思采用8大技術降低功耗。

　　1、采用賽靈思和臺積電共同開發(fā)的高性能低功耗金屬柵極工藝HLPMG工藝

　　2、存儲器配置電壓從2.5V下降到1.8V;

　　3、晶體管優(yōu)化降低動態(tài)功耗

　　4、采用優(yōu)化的硬模塊

　　5、降低I/O功耗

　　6、內核電壓降低到1V以下，可用0.9V供電

　　7、軟件配置中采用智能時鐘門控技術，可以降低20%的功耗;

　　8、采用第5代可重配置技術，實現(xiàn)FPGA的動態(tài)配置降低功耗

　　基于這些技術，可以將28nm FPGA的功耗降低50%!

　　“從另一個角度來看，如果你的設計功耗可以維持不變，則你可以在同等功耗預算的前提下使用兩個7系列的FPGA。”湯立人指出，“這有點類似PC處理器中的多核概念--在同樣功耗預算下有更多FPGA可以使用，使你的性能提升很多，由于FPGA是天生并行處理器件，這樣下來性能的提升不僅僅成倍的了。”

　　從1984年第一塊FPGA發(fā)明以來，F(xiàn)PGA已經走過近30年的發(fā)展，目前來看，F(xiàn)PGA的發(fā)展依然呈現(xiàn)性能大幅度提升勢態(tài)，“所以摩爾定律對FPGA依然有效，你們可以看到FPGA性能提升的幅度還很大，如果性能提升減緩則說明發(fā)展空間不大了。”張宇清指出。

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　　FPGA目前已經在逐漸占據(jù)高端ASIC的領地，并向更多新興應用挺進，所以賽靈思CEO Moshe Gavrielov稱“ASIC日益變?yōu)閚iche，而FPGA應用日益擴大變?yōu)?lsquo;通用’”，這真是一個非常有意思的變化。未來，F(xiàn)PGA是否可以成為下一代嵌入式處理器?FPGA在成為下一代嵌入式處理器前還要應對什么挑戰(zhàn)?歡迎大家討論。