打破性能和功耗瓶頸 UltraScale可編程架構助力Xilinx進入ASIC市場

憑借高性價比和可編程系統(tǒng)集成等優(yōu)勢，Xilinx采用28nm工藝的7系列器件已經在市場上得到了廣泛的應用。令人關注的是，在通信行業(yè)，占40%份額的是以往ASIC獨占的應用領域。據(jù)Xilinx公司全球高級副總裁湯立人介紹，這些應用往往既需要高性能、低功耗，又重視差異化，廠商過去不得不放棄ASSP和FPGA，選擇上市慢、價格昂貴、風險性大的ASIC方案。而隨著在功耗和性能方面的進一步優(yōu)化，F(xiàn)PGA已經開始進入這些領域。

近日，Xilinx公司發(fā)布行業(yè)第一個ASIC級可編程架構UltraScale，同時投片半導體行業(yè)首款20nm器件。

湯立人表示，隨著UltraScale架構的推出，Xilinx的FPGA器件將不局限于傳統(tǒng)的應用領域。創(chuàng)新的架構使得FPGA在性能和功耗方面能夠媲美ASIC，滿足下一代需要海量數(shù)據(jù)流的智能系統(tǒng)的需求，例如，支持智能圖形增強和識別的4K2K和8K顯示器和面向數(shù)據(jù)中心的高性能計算應用等。UltraScale架構將大大推動Xilinx進入規(guī)模更大的ASIC市場。

圖：ASIC級可編程架構UltraScale

在中國市場，湯立人特別看好新系列在高增長的光網設備中的應用前景。來自Infonetics的最新報告顯示，2012年OTN交換設備市場在2012年的增幅高達46%。目前100G光網已經全面部署，華為等廠商都在積極推進400G光網，采用全新UltraScale架構的VIRTEX系列FPGA在這一市場將大有可為。

創(chuàng)新的UltraScale架構如何使這些新器件具備上述諸多性能優(yōu)勢呢？UltraScale架構包括20nm平面晶體管結構工藝和16nm乃至FinFET晶體管技術擴展，包括單芯片和3D IC。它不僅能解決整體系統(tǒng)吞吐量擴展限制的問題和時延問題，還能直接應對先進節(jié)點芯片性能方面的最大瓶頸問題——互連。

在時鐘方面，UltraScale架構提供類似ASIC的多區(qū)域時鐘功能，使得設計人員現(xiàn)在可以將系統(tǒng)級時鐘放在整個晶片的任何最佳位置上，從而使系統(tǒng)級時鐘歪斜降低多達50%。將時鐘驅動的節(jié)點放在功能模塊的幾何中心并且平衡不同葉節(jié)點時鐘單元的時鐘歪斜，這樣可以打破阻礙實現(xiàn)多Gb系統(tǒng)級性能的一個最大瓶頸。UltraScale架構的類似ASIC時鐘功能消除了時鐘放置方面的一切限制并且能夠在系統(tǒng)設計中實現(xiàn)大量獨立的高性能低歪斜時鐘資源，而這正是新一代設計的關鍵要求之一。這是與前幾代可編程邏輯器件所采用的時鐘方案的最大不同之處，而且實現(xiàn)了重大改進。

在互連方面，UltraScale架構的新一代路由理念可以從容應對海量數(shù)據(jù)流挑戰(zhàn)。UltraScale架構加入了類似的高速公路的快速通道。這些新增的快速通道可供附近的邏輯單元之間傳輸數(shù)據(jù)，盡管這些單元并不一定相鄰，但它們仍通過特定的設計實現(xiàn)了邏輯上的連接。這樣，UltraScale架構所能管理的數(shù)據(jù)量就會呈指數(shù)級上升，如下圖所示。

圖：快速通道有助于應對不斷增加的復雜性
 

UltraScale架構提供的高布線效率從根本上完全消除了布線擁塞問題，也使器件利用率達到90%以上，且不降低性能或增加系統(tǒng)時延。

除此之外，UltraScale架構將關鍵路徑優(yōu)化與新的27x18位乘法器和兩個加法器結合，顯著提升了定點和IEEE 754標準浮點算術性能和效率的飛躍。UltraScale架構能夠讓雙精度浮點運算的資源利用率實現(xiàn)1.5倍的效率提升，并具有更多的DSP資源數(shù)量，因此可以滿足新一代應用在TMAC處理性能和集成方面的要求，并實現(xiàn)最優(yōu)價格點。針對第2代3D IC系統(tǒng)集成和新型3D IC大寬度存儲器優(yōu)化接口，UltraScale架構提供芯片間帶寬步進功能。這一架構通過多個硬化的ASIC級10/100G以太網、Interlaken和PCIe® IP核顯著降低時延，支持新一代存儲器接口功能。在電源管理方面，跨多種功能元素提供寬廣的靜態(tài)和動態(tài)電源門控范圍，實現(xiàn)顯著節(jié)能降耗。針對安全性，UltraScale架構采用先進的方法進行AES比特流加密和認證、密鑰模糊處理和安全器件編程。

下一代智能系統(tǒng)需要管理每秒數(shù)百Gbps信息流的系統(tǒng)性能，以及在全線速下進行智能處理的能力，并可擴展至Tb級流量和每秒10億次浮點運算級的計算能力。UltraScale架構通過在全面可編程的架構中采用尖端ASIC技術，從根本上提高通信、時鐘、關鍵路徑以及互連技術，滿足了這些需求，全面提升了FPGA的性能，為以往只能采用ASIC的應用提供了新的選擇。