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斗，那么目前這場戰斗正從遠觀、叫陣、近戰發展到它的最后階段――肉搏!6月22日，賽靈思基于統一架構的28nm 7系列FPGA閃亮登場，本次發布的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執行總裁湯立人(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年的規模可以達到70億美元，而那時ASIC/ASSP的規模會是600億美元，如果FPGA要擴大規模，就必須有更低的成本(更高的性價比)、更高的系統性能、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，賽靈思公司亞太區市場及應用總監張宇清指出：“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，例如便攜式醫療超聲設備、高端數碼相機等等，“中國現在實行醫療改革計劃，很多縣、鄉醫療所需要便攜式、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，“目前高級數碼相機日益流行此外，預計到2010年數碼相機的銷售量達到1.5億臺，其中數碼單反相機將占上述相機總數的10%，其需求主要表現為避免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，這個市場的數量并不是很大，因此成為ARTIX系列另一個應用主戰場，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的性能，所以具備很高的性價比，這種高度優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進行了精心優化，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，在嵌入式收發器、DSP 切片、存儲器模塊和高速 I/O 的數量與性能方面將 FPGA 技術發揮到了極致，為業界樹立了新的基準。

　　Virtex-7T 器件提供多達 36 個 10.3 Gbps GTX 串行收發器，具有超高端邏輯容量(邏輯單元多達 200 萬個)，而且實現了業界最高的并行 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 收發器，或 80 個 GTH 和 GTX 收發器(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，可滿足低時延數據緩沖要求。賽靈思將在本系列中增加帶有 28 Gbps 收發器的產品，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。產品開發人員可用單個 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/轉發器應用中100GB 光傳輸網絡 (OTN) 復用轉發器、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，系統成本可以降低15%!這對于很多系統開發人員來說相當有誘惑力。

　　二、7系列FPGA的開發與移植

　　賽靈思7系列FPGA采用統一架構的目的就是讓開發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。“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，開發人員還可以使用AXI IP生態系統，就是把ARM生態系統中的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一套IP來，這樣就增加了開發工作量，我們在對用戶需求做調查后發現，很多用戶對統一架構持積極的贊成態度，這樣，實際可以幫助客戶節省了大量的IP開發時間。”湯立人補充道。

　　從目前的趨勢來看，隨著微電子技術的發展，半導體硬件成本不斷下降，性能卻不斷提升，系統開發人員需要從軟件入手提升產品差異性，如果能節省大量基礎性軟件開發工作，讓開發人員將更多精力用于差異性開發則會大大提升開發效率，統一架構FPGA的出現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如何實現了功耗的大幅度降低?顯然，單單提升工藝技術難以實現這么大幅度的降低，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、晶體管優化降低動態功耗

　　4、采用優化的硬模塊

　　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FPGA的動態配置降低功耗

　　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發明以來，FPGA已經走過近30年的發展，目前來看，FPGA的發展依然呈現性能大幅度提升勢態，“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日益變為niche，而FPGA應用日益擴大變為‘通用’”，這真是一個非常有意思的變化。未來，FPGA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?歡迎大家討論。