FPGA在系統(tǒng)中表現(xiàn)出的特性是由芯片制造的半導體工藝決定的，當然它們之間的關系比較復雜。過去，在每一節(jié)點會改進工藝的各個方面，每一新器件的最佳工藝選擇是尺寸最小的最新工藝?，F(xiàn)在，情況已不再如此。
取而代之的是，當今的可編程邏輯供應商必須研究各種工藝選擇，才能滿足采用FPGA的設計的各類需求。本文將介紹三類工藝特性，它們與現(xiàn)代FPGA內(nèi)部結構的聯(lián)系，以及FPGA對采用了這些工藝的系統(tǒng)的影響。其中將特別介紹圍繞名為FinFET的晶體管加速應用的革命性變革，Altera怎樣采用獨特的FinFET工藝，特別是Intel 的14nm三柵極工藝進一步提高FPGA密度、性能和功效，而這是平面FET技術發(fā)展根本無法實現(xiàn)的。
工藝特性
對于IC設計人員，有三類由工藝決定的特性，這些特性一起體現(xiàn)了工藝。它們是特征層距、晶體管行為和可用性。
層距是指成品IC類似特性之間的最小間隔，有助于確定管芯尺寸和容量，還能夠間接地決定電路速率和功耗。管芯的每一特征層——晶體管、本地互聯(lián)、接觸，以及連續(xù)的上面金屬層，都有自己的層距。由工藝工程師根據(jù)光刻極限和其他工藝約束、成本以及工藝設計人員認為客戶會怎樣使用工藝來選擇這些不同層的間距。這些層距相互作用，決定了某一類電路中晶體管的實際密度。
讓我們從底層開始。在某一電路中封裝多少晶體管大致取決于兩個問題：晶體管能夠靠得多近，互聯(lián)之間有多大的間距才能滿足它們的連接要求。兩者都會帶來限制，這取決于電路設計和布局。當然，晶體管能夠封裝的距離有多近取決于其大小和形狀。
從本地互聯(lián)、接觸層往上，越到上面的金屬層堆疊(圖1)，層距就越會急劇增大。一般而言，本地互聯(lián)和下面金屬層連接附近的晶體管，決定了標準單元或者 SRAM等仔細封裝的結構的密度。上面的金屬層連接電路，最終將功能模塊連接起來，實現(xiàn)總線連線，分配電源和時鐘連接。上層的數(shù)量和層距對于芯片設計人員而言也非常重要，這是因為它們決定了芯片不同部分之間連接的帶寬和功耗。
圖1.堆疊越高，金屬層距越大，如這一傳統(tǒng)的Altera CPLD所示。
晶體管特性
最簡單的情況是，數(shù)字設計人員對于其晶體管只關心三方面：它們有多大、晶體管開關能有多快、它們的功耗有多大。多年來，這三方面互相協(xié)調(diào)發(fā)展的非常好：每一新工藝節(jié)點的晶體管尺寸都在減小，開關更快，功耗更低。
但在最近的工藝代，隨著晶體管尺寸的減小，功耗分成了兩個不同的部分：由開關活動造成的動態(tài)功耗，以及晶體管無法關斷的電流所消耗的泄漏功耗。速度和動態(tài)功耗一直是相關的，在每一新工藝節(jié)點，速度逐漸提高，開關功耗慢慢下降，而靜態(tài)功耗在每一新節(jié)點都在增大?，F(xiàn)在，如果希望晶體管非?？斓剡M行開關，那么，它會泄漏。如果希望降低泄漏電流，晶體管的速度就會變慢。相應地在芯片級，某些28nm SoC，一半的功耗都是靜態(tài)泄漏功耗。
工藝和電路設計人員對此進行了反擊。工藝工程師為芯片設計人員提供了具有不同速度和泄漏電流的各類晶體管。電路設計人員仔細地選擇了晶體管，考慮了它們的關斷時鐘能力和供電電壓，以便有效的管理功耗。這些創(chuàng)新使得設計人員能夠開發(fā)基于單元的數(shù)字模塊，同時具有較好的峰值性能和較低的泄漏。
但是，平面FET的問題卻越來越嚴重。在以后的工藝代中，越來越難以進一步降低平面FET的工作電壓。今天，很多工藝工程師同意，在20nm節(jié)點以后，再也不可能降低平面FET的延時功耗：電路設計人員圍繞這一指標來綜合考慮速度和功耗。雖然已經(jīng)盡最大努力來延長傳統(tǒng)平面FET的生命周期，但是，它還是在逐漸淡出。
今天，很多工藝設計人員相信，未來屬于一類新晶體管：FinFET，即 Intel把他們的這類器件稱之為三柵極晶體管。實際上，晶體管是豎立在其側面的，在其他三個裸露側封裝柵極，F(xiàn)inFET的柵極能夠更好地控制通過溝道的電流，與同樣大小的平面FET相比，在速度一定時，顯著降低了泄漏(技術上，更低的閾值電壓)。更低的泄漏使得設計人員能夠以較低的電壓實現(xiàn)要求的工作頻率，同時降低了動態(tài)和泄漏功耗，或者在一定的總功耗水平上，以更高的速度工作。
而且，由于晶體管是豎立在其側面上，影響驅(qū)動電流的溝道寬度不會直接限制晶體管彼此之間封裝的距離。因此，F(xiàn)inFET陣列要比使用相同溝道寬度的平面FET陣列的密度高得多。而且，由于器件的尺寸，F(xiàn)inFET原理上要比最小尺寸的平面FET的一致性更好。工藝工程師解釋說，平面器件在理論上已經(jīng)變得非常小，以至于可以數(shù)出溝道中摻雜原子的數(shù)量。不管出于什么原因，在生產(chǎn)過程中一些原子出錯是難以控制的，這會導致晶體管閾值電壓有很大的不同，因此，其電氣性能也會不同。FinFET對這類變化的敏感度要低得多。
FinFET在幾方面顯示出完全不會有平面FET那樣越來越多的問題。FinFET可以封裝得更靠近一些。它們有更低、一致性更好的閾值電壓，不會出現(xiàn)不可接受的泄漏電流。較低的閾值電壓支持工作在較低的供電電壓下，顯著降低了功耗，或者工作在正常電壓下，但是大幅度提高了速度。
何時可以得到
第三個關鍵的工藝問題并不是技術上的;它是可用性問題。特別是器件仿真模型規(guī)劃、測試芯片、實例，以及代工線產(chǎn)品等必須要滿足系統(tǒng)設計人員的開發(fā)計劃要求。必須盡早為FPGA設計人員提供工藝模型，以便他們估算芯片能夠?qū)崿F(xiàn)多高的性能，在系統(tǒng)設計流程早期將這一信息傳遞給系統(tǒng)規(guī)劃人員。必須為硬件原型開發(fā)提供實例和開發(fā)套件，以便開始硬件和軟件集成。當然，進行系統(tǒng)投產(chǎn)時，應能夠批量提供 FPGA。
“可用性”是回答上面討論的問題的答案——為什么不采用FinFET來開發(fā)所有的東西?但還有另外一種回答。在目前的很多應用中，現(xiàn)有的28nm或新出現(xiàn)的20nm平面FET工藝能夠滿足系統(tǒng)設計的特殊需求。這些系統(tǒng)設計不需要等待FinFET工藝。為了解這是怎樣工作的，我們需要查看現(xiàn)代FPGA中的每一類結構。
FPGA內(nèi)部
半導體工藝的技術特征表現(xiàn)在系統(tǒng)行為上，就是影響FPGA內(nèi)部的很多不同結構。在以前的工藝代中，認為FPGA是統(tǒng)一的可編程邏輯架構，周圍是通用I/O可配置環(huán)，這種看法當時是正確的。但在今天，這種模型已經(jīng)不正確。
現(xiàn)代FPGA含有四種不同類型的功能模塊：可編程邏輯架構、基于單元的數(shù)字知識產(chǎn)權(IP)、手動設計的模塊RAM，以及定制模擬IP(圖2)。這些都會對新工藝特性有不同的影響。
圖2.現(xiàn)代FPGA混合了可編程邏輯、基于單元的IP以及模擬模塊，如這一Altera Stratix V圖所示。
FPGA 邏輯架構實際上是大量經(jīng)過復制的定制設計邏輯單元(LE)陣列——微小SRAM，復用器和寄存器，以及交換結構，覆蓋了非常復雜的多層金屬。因此，可編程架構的設計是要在LE實現(xiàn)多少功能以及單元需要多少互聯(lián)之間達到很好的平衡。對于某一體系結構，架構的總密度對底層和中間金屬層的層距非常敏感。但是，由于規(guī)劃人員嘗試使用互聯(lián)堆疊下面所有的可用區(qū)域，因此，對于LE中晶體管的封裝密度也非常敏感。用戶在邏輯架構中實現(xiàn)的電路的速度和功效取決于晶體管特性，也與架構密度，互聯(lián)RC產(chǎn)品和晶體管驅(qū)動電流有關。
因此，一般而言，能夠提供較小金屬層距以及封裝更緊密的晶體管的工藝可以實現(xiàn)密度較高的邏輯架構，對于用戶電路，性能更好，功耗更低。泄漏電流是邏輯架構的一個特殊問題，這是因為，芯片設計人員并不知道用戶怎樣使用可編程邏輯，他們使用電路級功耗管理技術來降低基于單元的設計的靜態(tài)功耗，這種方法能力有限。
相反，基于單元的數(shù)字IP有關鍵通路，這些通路主要是通過本地短互聯(lián)或者底層金屬直接互相連接的快速晶體管?，F(xiàn)代FPGA中的這一類結構包括數(shù)字信號處理(DSP)模塊、I/O和存儲器控制器、增強CPU內(nèi)核，等等。這些IP模塊的大小主要受仔細封裝的標準單元庫的密度的影響，以及庫中各種單元的影響。在可編程架構中，用戶可以開發(fā)需要的任何電路，而基于單元的硬核IP是預先定義好的，因此，芯片設計人員可以采用所有的功耗管理技術。這樣，硬核數(shù)字IP將極大的受益于更小的工藝尺寸以及更高的晶體管速度，在系統(tǒng)層，可以使用功耗管理技術，調(diào)整平面FET較大的泄漏電流。
模塊RAM是一類特殊的基于單元的IP。一般使用代工線提供的，經(jīng)過手動優(yōu)化的SRAM單元進行開發(fā)，但是，F(xiàn)PGA設計人員通常會調(diào)整陣列，在模塊應用的范圍內(nèi)，優(yōu)化速度、密度和功耗。由于模塊非常靈活，因此，很難在FPGA RAM上實現(xiàn)功耗管理策略。FPGA中的其他結構可能不會對晶體管的所有特性變化敏感。
這些考慮意味著，某一系統(tǒng)應用FPGA的最佳工藝選擇取決于系統(tǒng)設計對可編程架構和基于單元的邏輯的相對壓力。對系統(tǒng)總體性能還有一定影響的是在架構中實現(xiàn)的模塊的行為，28nm或者20nm工藝中端FPGA能夠以較低的成本在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)所需要的系統(tǒng)性能。
最后，還有高性能模擬IP的問題，這些IP是目前鎖相環(huán)(PLL)和串化器解串器(SerDes)電路的主要構成。這些設計并沒有采用最小層距，相反，使用了各種尺寸的晶體管、電路布局和金屬層間距，這些通常涉及到了手動布局。它們對于晶體管的電氣行為非常敏感，包括，數(shù)字工程師不太關心的一些參數(shù)。數(shù)字設計人員仿真邏輯功能，模擬設計人員仿真晶體管。對于模擬設計人員，另一個絕對關鍵的問題是一致性：很多標準電路依靠密切匹配的成對的晶體管來實現(xiàn)。
在 finFET上還有一些爭論。某些模擬設計人員指出，您不能為FinFET選擇任意寬度。由于晶體管是豎立在側面，意味著是在縱向測量寬度，因此，它們必須有相同的寬度。您可以使用一個最小寬度的FinFET，或者，您希望電流更大，可以將幾個并聯(lián)起來使用。這些設計人員擔心，模擬設計人員很難甚至無法在其熟悉的電路拓撲中使用這些新晶體管。
但是，其他有經(jīng)驗的模擬設計人員指出，更高的速度、更強的溝道控制，以及，特別是 FinFET更好的一致性，對于模擬設計都非常有利，遠遠抵消了晶體管寬度的量化問題。爭論還在繼續(xù)，而Intel在CPU中模擬結構上的工作表明，它們使用其22nm三柵極工藝開發(fā)了這一結構，三柵極晶體管極大的提高了高精度模擬設計的性能。
采用合適的工藝開始定制
工藝特性以不同的方式影響FPGA的不同結構。相似地，不同的應用對這些 FPGA結構有不同的要求。結果，在一定時期內(nèi)，沒有一種工藝技術能夠為多種應用提供最合適的平臺。計劃、成本和性能要求促使FPGA中的某些結構采用混合定制方法來實現(xiàn)，以滿足FPGA設計對多種工藝選擇的要求。
三個例子可以說明這一點。首先，考慮一個單芯片電機控制 SoC(圖3)。芯片接收來自四個電機的連桿傳感器位置數(shù)據(jù)，都是較高的kHz速率，以較低的MHz速率驅(qū)動四個驅(qū)動電路板。它連接至中速DDR2 DRAM，進行編碼和數(shù)據(jù)存儲，連接至工業(yè)以太網(wǎng)，將SoC連接至工廠車間控制網(wǎng)絡。
圖3.單芯片多軸電機控制器結合了基于單元的DSP電路來計算FOC算法，可編程邏輯對I/O信號進行編碼和解碼，CPU用于管理和功能安全算法。
芯片實際上支持兩項主要任務。第一項是在FPGA DSP模塊中進行計算的現(xiàn)場定位控制(FOC)算法，實際上是每一電機大量的矩陣算術?？删幊碳軜嬛械腎/O電路以相對較低的速率和功耗，對位置數(shù)據(jù)進行解碼，對信號進行編碼，以便驅(qū)動電路板。第二項任務是功能安全封裝，一組設計用于保護機器運行以及設備完整性的功能，運行在SoC FPGA的嵌入式ARM Cortex-A9 CPU上。
這一設計有兩個很大的難點。第一，客戶希望不斷提高能效和精度，降低噪聲，這些都要求更大的帶寬，更復雜的算法，進行FOC計算。因此，應用程序要求使用硬核DSP模塊和RAM。第二，成本問題，這個問題更嚴重。
對形勢進行分析，這一應用最關鍵的FPGA結構是硬核IP模塊、模塊RAM，以及隨著功能安全要求的提高，還有CPU內(nèi)核。這些模塊相應地要求半導體工藝良好的標準單元庫，合適的SRAM以及盡可能低的價格。現(xiàn)在，Altera的Cyclone V SoC產(chǎn)品采用了TSMC的28低功耗(28LP)工藝，很好的結合了高性能硬核IP和存儲器，降低了成本，可以及時供貨。
幫助駕駛員開車
第二個例子是下一代汽車輔助駕駛系統(tǒng)(ADAS)設計。這一SoC接收來自汽車雷達和幾個HD視頻攝像機的數(shù)據(jù)，使用圖像處理例程和人工智能(AI)算法算出車輛的位置，驅(qū)動兩個實時顯示屏，向車輛控制模塊發(fā)送命令，進行換擋、剎車和傳動系統(tǒng)控制。大部分I/O數(shù)據(jù)流會通過一對冗余的10G以太網(wǎng)端口。由于嚴格的推出計劃，必須在2013年年中開始系統(tǒng)體系結構設計。
這一系統(tǒng)中的難點是進行大量的視頻和雷達信號處理，識別目標，滿足分類和AI例程的計算需求，以及大量的本地和外部寬帶存儲器的需求。這些需求主要依靠可編程架構來滿足，使用了DSP硬核IP、模塊RAM和外部 DRAM。由于計算負載是偶發(fā)的，車輛沒有移動或者慢速行駛時，計算很少，而計算強度基于環(huán)境的復雜度，因此，需要很好地進行功耗管理。這類FPGA需要金屬層距和晶體管性能優(yōu)于目前中端FPGA的工藝，以便滿足可編程架構和硬核IP的性能目標。但是，設計最初并不需要FinFET那樣的速度和功耗。 Altera的20nm產(chǎn)品系列基于TSMC的20nm芯片系統(tǒng)(20SoC)平面工藝，很好的同時實現(xiàn)了帶寬、計算性能和可用性。
最后，讓我們進一步了解一下近期會怎樣。新一代數(shù)據(jù)中心將不僅僅包括高密度服務器類CPU芯片簇，而且還有大容量的高速FPGA。這些FPGA以及CPU和共享高速緩存將位于超高速本地網(wǎng)中，用作虛擬的動態(tài)重新配置網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包引擎和計算加速器。
這類芯片要求很高的晶體管密度和金屬層距，提高芯片的容量和帶寬，特別是，考慮到服務器機架嚴格的散熱和功耗限制以及較高的占空比，這些都限制了動態(tài)功耗管理的效率，因此，功耗性能點超出了任何建議的平面晶體管的能力范圍。此外，為能夠連接超高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，以支持外部存儲器極大的帶寬，這些FPGA需要的集成模擬電路性能水平超出了目前針對FPGA所討論的電路性能。這些應用促使Altera選擇了Intel的14nm三柵極工藝。
結論
本文介紹了三種場景，每一種都結合了硬核IP應用、可編程架構應用、存儲器帶寬，以及I/O帶寬，很好地滿足了不同半導體工藝的要求。這一工藝實際上就是 Altera的定制方法：每一類應用的FPGA性能、余量、計劃和成本都能夠滿足系統(tǒng)要求。最好的選擇給系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了明顯的優(yōu)勢。
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