賽靈思UltraScale架構(gòu)——打破魔咒的砝碼

賽靈思：魔咒將失效

一直以來，在FPGA領(lǐng)域，對賽靈思和Altera而言，除了摩爾定律，似乎還有另一條魔咒在起作用。那就是風(fēng)水輪流轉(zhuǎn)，30年河?xùn)|、30年河西，在工藝節(jié)點的演進中，每一家都只能保持一代的優(yōu)勢。65nm賽靈思勝出，到了40nm就是Altera坐莊，而28nm的市場優(yōu)勢又交回給了賽靈思。

這點也不難理解，在某一代掌握優(yōu)勢的廠商就會想花更多精力在這一代的推廣和運營上，而在某一代失守的廠商自然會把更多精力投入到下一代的研發(fā)中希望盡快收復(fù)失地。但就在最近，賽靈思公司全球高級副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人表示“賽靈思要打破這一魔咒”，與此同時宣布賽靈思搶先一步發(fā)片20nm工藝的FPGA產(chǎn)品，將“繼續(xù)領(lǐng)先一代”。

賽靈思公司全球高級副總裁、亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人

打破魔咒的砝碼

看看是怎樣的產(chǎn)品讓賽靈思有如此自信。賽靈思稱最新20nm工藝FPGA產(chǎn)品為“ASIC級的可編程架構(gòu)”并將該新架構(gòu)命名為“UltraScale”，可理解為超范圍，顧名思義，賽靈思想借全新ASIC級的產(chǎn)品進入更廣泛的原有ASIC的市場。

對照Altera前不久發(fā)布的下一代10系列產(chǎn)品Arria 10和Stratix 10的信息，兩家廠商都在產(chǎn)品的命名上下了一番功夫。與Altera更多強調(diào)產(chǎn)品性能提升不同，賽靈思的最新產(chǎn)品在架構(gòu)上做了很多優(yōu)化，從而讓產(chǎn)品在功耗等性能方面拉近和ASIC產(chǎn)品的距離，而這些是此前FPGA產(chǎn)品進入原有ASIC市場的最大障礙，最新UltraScale架構(gòu)的推出也讓賽靈思更進一步接近自己的目標(biāo)—替代ASIC/ASSP。湯立人提到，28nm工藝的產(chǎn)品推出后，在通信領(lǐng)域的客戶中，其中有40%原來是采用ASIC器件的，相信這也是讓賽靈思確信FPGA在替代ASIC方面將大有作為的信心來源。

賽靈思對UltraScale架構(gòu)的優(yōu)化包括：

1. 布線

湯立人透露，雖然在28nm工藝下FPGA產(chǎn)品可達(dá)到數(shù)十萬甚至上百萬的邏輯單元數(shù)，但因為普遍存在的布線擁塞等問題，實際的器件利用率只能達(dá)到70~80%，這也是一些客戶反映比較多的一個問題。

在最新的UltraScale架構(gòu)中，賽靈思采用了一種更智能的布線方式，從下圖中我們可以看到其形象的描述。而更直觀的理解是，通過對整體邏輯單元的更合理布局形成一些快速通道，減少了對很多作為中間布線通道的邏輯單元的浪費，從而讓更多的邏輯單元能夠發(fā)揮更重要的系統(tǒng)功能的作用。經(jīng)這種布線優(yōu)化后，器件利用率可達(dá)到90%，且不影響產(chǎn)品性能。

UltraScale架構(gòu)的布線優(yōu)化

2. 時鐘

在高速系統(tǒng)中往往需要512到2048位寬度的總線，這時原有FPGA產(chǎn)品的時鐘歪斜問題就越發(fā)凸顯UltraScale架構(gòu)采用類似ASIC時鐘幾乎可將時鐘布置到晶片的任何地方，極大改善了延遲的問題，使系統(tǒng)級時鐘歪斜大幅降低達(dá)50%。

UltraScale架構(gòu)的類ASIC時鐘布線

從上圖我們可以看到，UltraScale采用多區(qū)域時鐘功能，類似時鐘樹的布局。

3. 關(guān)鍵路徑

架構(gòu)在關(guān)鍵路徑優(yōu)化方面所做的工作包括：大幅增強DSP處理，即增加DSP單元;提供高速存儲器級聯(lián)，從而消除DSP和包處理中的瓶頸問題，即互聯(lián)性，也避免使用更多片上布線或邏輯資源;將高強度I/O功能做硬化IP處理，基于現(xiàn)有I/O功能相對完善不需要占用編程資源，這樣的做法可以降低時延同時釋放邏輯和布線資源。

4. 電源管理

湯立人表示，賽靈思采用20nm工藝的產(chǎn)品較上一代產(chǎn)品靜態(tài)功耗將降低35%，動態(tài)功耗也大大降低。而單純工藝節(jié)點的降低達(dá)不到這么顯著的效果，賽靈思通過一系列電源管理功能的優(yōu)化才實現(xiàn)了這一點。

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Virtex UltraScale用于4*100G MAC to Interlaken橋接器解決方案

Kintex UltraScale用于超高視頻處理解決方案

Kintex UltraScale用于256通道超聲圖像處理解決方案

基于UltraScale架構(gòu)的產(chǎn)品首先推出的是Artix UltraScale和Virtex UltraScale系列，與之配合的Vivado設(shè)計套件早期試用版現(xiàn)在已經(jīng)開始供貨，相關(guān)器件將在今年第四季度開始供貨，UltraScale架構(gòu)也將用于下一代的Zynq系列并將擴展到16nm工藝的產(chǎn)品。

兩大廠商間又一場時間的戰(zhàn)役已打響，誰能最先拿出產(chǎn)品來才是決定勝負(fù)的關(guān)鍵，而賽靈思是否能如其所愿的打破魔咒也就在此一舉了。