28nm FPGA上的創(chuàng)新技術(shù)超越摩爾定律

Altera公司在推出的采用先進28nm工藝制程的FPGA中采用創(chuàng)新技術(shù)，集成嵌入式HardCopy模塊、部分重新配置新方法以及嵌入28Gbps收發(fā)器，這些創(chuàng)新技術(shù)大大超越了摩爾定律本身所帶來的益處，極大的提高下一代Altera FPGA的密度和I/O性能，并進一步鞏固相對于ASIC和ASSP的競爭優(yōu)勢。Altera公司產(chǎn)品和企業(yè)市場副總裁Vince Hu 給出了一些解答。

不斷擴展的帶寬促進技術(shù)創(chuàng)新

快速增長的寬帶應(yīng)用如高清晰(HD)視頻、云計算、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲和移動視頻等各種應(yīng)用對帶寬的需求在不斷增長，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，預(yù)計到2013年底，對移動骨干網(wǎng)容量的需求將會達到90000Gbps。如何在不增加成本和功耗等情況下，提高系統(tǒng)帶寬，Altera已著手用最新的創(chuàng)新技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn)。

采用28nm先進的工藝制程技術(shù)是否就能解決上述問題？Vince Hu例舉了2 個案例，案例一，目前在40nm工藝上已能實現(xiàn)100Gbps帶寬的應(yīng)用，那么在40nm工藝上能否實現(xiàn)400Gbps應(yīng)用？Vince Hu說 ,要在40nm上實現(xiàn)400Gbps帶寬的應(yīng)用，就會使FPGA的密度、功耗和收發(fā)器都增加4倍，這是不能滿足目標(biāo)要求的失敗“演進”。案例二，在28nm工藝制程上滿足400Gbps帶寬需求, Vince Hu認(rèn)為，這是傳統(tǒng)的通過摩爾定律來解決的辦法，在28nm上實現(xiàn)滿足400Gbps帶寬應(yīng)用的FPGA，仍然會使密度增加3倍，功耗增加3.5倍，收發(fā)器增加4倍。由此看來，在深亞微米以后，僅僅依靠摩爾定律并不能解決從100Gbps到400Gbps的技術(shù)演進，特別是收發(fā)器、I/O并不會因工藝的改進而縮小。所以說在28nm上實現(xiàn)400Gbps帶寬處理并沒有從真正意義上實現(xiàn)技術(shù)上的創(chuàng)新。隨后，Vince Hu詳細介紹了Altera應(yīng)對市場和客戶的需求，在28nm FPGA上實現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)。

創(chuàng)新技術(shù)超越摩爾定律

創(chuàng)新點之一，在28nmFPGA中集成新的嵌入式HardCopy模塊，嵌入式HardCopy模塊是可定制硬核知識產(chǎn)權(quán)(IP)模塊，這是利用了Altera獨特的HardCopy ASIC技術(shù)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義或需要大量邏輯的功能模塊。例如接口協(xié)議、專用功能和專業(yè)定制IP等。嵌入式HardCopy模塊可大幅度提高FPGA性能，幫助用戶縮短了設(shè)計面市時間，同時降低了成本和功耗。對于Altera，這一創(chuàng)新技術(shù)還可使公司能夠面向不同的市場領(lǐng)域迅速開發(fā)各種型號的產(chǎn)品。

創(chuàng)新點之二，利用部分重新配置功能，設(shè)計人員可以在不中斷正常工作的情況下，重新配置部分FPGA，即在部分FPGA裝入新的功能。這對要求連續(xù)運行的系統(tǒng)，特別是遠程升級系統(tǒng)來講是至關(guān)重要的。部分重新配置功能不但降低了功耗和成本，而且在FPGA中優(yōu)化了那些不同時工作的功能，因此還提高了有效的邏輯密度。將這些功能放在外部存儲器中，需要時再裝入。這樣，單片F(xiàn)PGA可以支持多種應(yīng)用，從而減小了FPGA體積，節(jié)省了電路板空間，降低了功耗。Vince Hu說，到目前為止，部分重新配置方案是比較耗時的任務(wù)，要求設(shè)計人員非常熟悉復(fù)雜的FPGA體系結(jié)構(gòu)。這個問題，Altera也替設(shè)計人員考慮到了，Altera在其Quartus II設(shè)計軟件成熟可靠的漸進式編譯設(shè)計流程的基礎(chǔ)上構(gòu)建了新功能，從而簡化了部分重新配置過程的實現(xiàn)，設(shè)計人員不需要詳細學(xué)習(xí)復(fù)雜的FPGA體系結(jié)構(gòu)，而且重配次數(shù)沒有限制。

創(chuàng)新點之三，Altera延續(xù)了在嵌入式收發(fā)器技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢，開發(fā)了28Gbps內(nèi)嵌收發(fā)器，這一技術(shù)會應(yīng)用在即將推出的28nm FPGA中。這一高速收發(fā)器將幫助用戶實現(xiàn)單片400Gbps系統(tǒng)等下一代設(shè)計，并可直接和光模塊對接，而不需要采用昂貴的外部元件，可將整體功耗減少60%，成本降低30%。

Vince Hu說，Altera公司自推出收發(fā)器技術(shù)以來，實現(xiàn)了該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。第一代收發(fā)器產(chǎn)品是十年前推出的，也是業(yè)界第一家將收發(fā)器嵌入到FPGA中。2008年推出的帶有收發(fā)器的40nm器件，速率已達到11.3Gbps，目前已量產(chǎn)。下一代28Gbps收發(fā)器將應(yīng)用在28nm FPGA中。Vince Hu表示，相同的設(shè)計團隊在過去10年中一直從事收發(fā)器工作，為業(yè)界提供了最先進的收發(fā)器產(chǎn)品以滿足不同的市場需求，未來Altera將繼續(xù)保持在這一領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。

Vince Hu認(rèn)為，Altera不斷推出創(chuàng)新產(chǎn)品，得益于公司每年在研發(fā)方面的投入（占公司總收入的18%~20%），即使在金融危機的2009年，研發(fā)投入有增無減。下一步，Altera的4個產(chǎn)品線（Stratix FPGA、HardCopy ASIC、Cyclone FPGA和Arria FPGA）都將會采用28nm工藝的制程技術(shù)。隨著向下一工藝節(jié)點的邁進，Altera的這些創(chuàng)新技術(shù)將引領(lǐng)業(yè)界超越摩爾定律，并帶來超越摩爾定律的益處。