僅有16nm還不夠，Xilinx在下一代FPGA/SoC中加入多種猛料

　　2月底，Xilinx發(fā)布了下一代16nm產品特點的新聞：《Xilinx憑借新型存儲器、3D-on-3D 和多處理SoC技術在16nm繼續(xù)遙遙領先》(http://www.104case.com/article/270122.htm)，大意是說，Xilinx新的16nm FPGA和SoC中，將會采用新型存儲器UltraRAM, 3D晶體管(FinFET)和3D封裝，Zynq會出多處理器產品MPSoC，因此繼28nm和20nm之后，繼續(xù)在行業(yè)中保持領先，打破了業(yè)內這樣的規(guī)則：Xilinx和競爭對手在工藝上交替領先。

　　圖 Xilinx 16nm產品具備的主要功能

　　為何此時宣布2年后的新產品?

　　人們不免產生這樣的疑問，2014年12月，Xilinx的20nm芯片剛剛量產。為何Xilinx又如此之快地宣布兩年后將會量產的16nm計劃?答案是：你懂的!Xilinx的競爭對手Altera二三年年前已宣布和Intel進行戰(zhàn)略合作，Altera的14nm 3D(Trigate)芯片將由Intel代工。當時Xilinx的代工廠——臺積電的技術(16FF)還無法和Intel匹敵。這次，代工廠臺積電推出了16FF+新工藝，Xilinx的腰板一下子硬了。

　　當然，僅僅靠代工廠也顯得太low了，在上一次20nm+UltraScale組合的成功基礎上，Xilinx又推出了前述的多種猛料，并拋出了16nm的UltraScale+、SmartConnect等料。

　　另外，Xilinx的銷售策略也改變了，多種制程的產品將在市場上共存，這也是Xilinx不吝公布16nm的下一代產品。Xilinx公司全球高級副總裁兼亞太區(qū)執(zhí)行總裁湯立人（下圖）稱，由于16nm產品太復雜了，不是所有應用都會用到，因此不會對20nm、28nm的產品產生沖擊，各種制程的產品會在市場共存，以滿足復雜度不同的各種應用。但在過去，從90nm推出到65nm的時候，Xilinx就不去賣90nm了;當40nm出來后，就不推65nm了。

　　猛料1：3D-on-3D

　　16nm的3D-on-3D，即3D晶體管(FinFET)和3D封裝，據稱是在半導體公司里第一家實現(xiàn)的。

　　其實早在28nm時，Xilinx就已推出了3D封裝。湯立人稱3D IC受到很多做ASIC仿真的通信大公司的歡迎。

　　Xilinx在20nm時的3D IC實現(xiàn)了400萬邏輯單元，共有190億個晶體管，價格十幾萬美元，聽起來好像貴得嚇人，但是如果換成做ASIC，數千萬美元才能搞定，而且ASIC不能修改，風險非常大。

　　3D-on-3D的好處是集成度和成本。集成度提高不言而喻。從成本來說，Xilinx可以做到更低的系統(tǒng)成本，做3D IC要比單芯片的3D便宜非常多。

　　FinFET主要靠臺積電的工藝搞定。

　　3D封裝最大的挑戰(zhàn)是散熱，尤其是中間那層的散熱問題。市面上大部分3D堆疊封裝產品是存儲器，因為存儲器不是經常存取的，耗能較少。但是FPGA/SoC由于要做運算，能耗較大。Xilinx的做法是，上下層是有效電路，這是晶體管要跑的，有功耗的，中間是金屬介質層，主要用于連接信號，沒有晶體管，因此就沒有耗電和熱的問題。(筆者注：由于中間層沒有晶體管，業(yè)界也有人認為這是2.5D封裝)。

　　猛料2：軟件成為UltraScale+的重要部分

　　UltraScale+有Virtex，Kintex和Zynq。工藝方面主要是3D-on-3D。

　　圖 UltraScale+產品組合及價值

　　此時，Xilinx更強調了Vivado和SDx(軟件定義的系列工具)軟件工具的作用。因為Xilinx的CEO Moshe Gavrielov過去是著名的EDA(電子設計自動化)公司——Cadence的副總，他改變了Xilinx的業(yè)務模式，想轉型成為EDA公司(筆者注：業(yè)界一些媒體評論認為)，因為工具是非常重要的，工程師要想成功地設計，應該完全靠工具，和硅芯片沒太大關系。理由是：現(xiàn)在FPGA越做越復雜，但主要還是硬件工程師用FPGA，軟件工程師做不了FPGA設計。現(xiàn)在大學生很多喜歡做軟件工程師，硬件工程師越來越少。所以，Xilinx想要擴大市場，必須花很多功夫來吸引軟件工程師。為此，在北京，Xilinx前兩年研發(fā)了HLS，在某些應用中可以用C語言做FPGA設計。Xilinx也越來越多地提SDx方面的事情。

　　猛料3：UltraScale+使性能功耗比提高2~5倍

　　怎么達到2倍到5倍的系統(tǒng)性能呢?湯立人稱，16nm加上3D 封裝和FinFET，而且嵌入了很多的存儲器(UltraRAM)，還有新一代的智能互聯(lián)(SmartConnect)。

　　在工藝上，Xilinx與臺積電合作，之前臺積電有16FF，16FF比Intel、三星的14nm差一點，后來臺積電又推出了16FF+，比16FF性能提高15%，在功耗方面降低大概30%，與Intel的14nm工藝相當。

　　一個產品成功與否，不光是看工藝的，與架構關系也很大。Xilinx第一個提出ASIC級的可編程架構UltraScale，16nm時將升級到UltraScale+。

　　猛料4：UltraRAM

　　UltraRAM是最新的存儲器技術，是臺積電與Xilinx共同開發(fā)的。Xilinx認為該技術主要適合視頻應用。眾所周知，分布式RAM可以達到1000位，Block RAM可以達到數十Mb，如果應用需要比較大的存儲器的話，以前在UltraScale+之前，用戶需要很多外部存儲器，但是當布置大量的外部存儲器的時候，很多信號、性能等方面的問題會出現(xiàn)，造成性能降低、功耗提高很多，因為要驅動外部信號。

　　因此Xilinx的UltraScale+中加入了UltraRAM，使容量可以達到432Mb，可以做到深度數據包緩沖、視頻緩沖，這非常有用，因為在4K/8K視頻應用方面緩存至關重要。

　　在芯片內做RAM的好處是：信號不需要在芯片和芯片之間傳輸，所以無論在功耗、性能、成本上都會大大提升。

　　猛料5：SmartConnect降低功耗20%

　　另一個與20nm不同的地方在于，Xilinx現(xiàn)在的軟件可以根據延遲決定信號放在哪一種互聯(lián)里。因為Xilinx的產品有不同的互聯(lián)設計在里面。以前軟件沒有這么規(guī)律地去優(yōu)化究竟什么信號、block放在互聯(lián)里面，所以在性能和功耗方面不是最優(yōu)化的。

　　SmartConnect是Xilinx內部開發(fā)的一個工具，可使功耗降低20%左右。

　　猛料6：多處理器MPSoC

　　Xilinx向嵌入式領域進軍的代表作是Zynq，有兩個ARM Cortex-M9核，已經應用于汽車、醫(yī)療、工業(yè)等方面。在國內，比如點鈔機會用很多這種技術，Zynq，不光是點，還可以驗證錢幣的真假，因為圖像處理功能很強。

　　現(xiàn)在Xilinx推出MPSoC——多處理SoC，即用合適的引擎來做合適的事。通過MPSoC可使性能提高5倍。

　　MPSoC的內容很多，有四核的A53，是64位核心。還有32位雙核的實時處理器，有非常多的圖形處理器(采用ARM Mail-400M系列)，還有視頻編/解碼器，因為4K/8K需要編解碼。以前是用軟的方法來做編解碼，現(xiàn)在是用硬的方法來做，性能會提升很多。加上Fabric，UltraRAM，還有混合模擬信號。

　　在這么多內容在里面，功耗很重要。如果不需要用所有功能，MPSoC可以將部分的電源功耗降低或者關閉。另外，要做到保密、安全、可靠。

　　16nm的應用展望

　　在無線方面，在4G/LTE方面Xilinx做得非常成功。接下來的16nm將做LTE-A，5G也快來了。在國內很大的一家客戶已經在用20nm芯片了，他們也準備要用16nm做LTE-A。

　　4K/8K視頻需要很多緩沖方面的技術，現(xiàn)在20nm可能實現(xiàn)得不夠好。在數據中心，也可以有非常多的應用。在物聯(lián)網方面也是，機器到機器，所以在FPGA的應用非常非常多，OTN等方面。

　　Xilinx在通信方面，占了一大半的市場份額，其實Xilinx一大半都是在通信以外的應用，在汽車、醫(yī)療、工業(yè)、通信等方面，Xilinx一直會擴張。

　　出貨時間表

　　預計今年第二季度會推出16nm首款流片，提供給早期介入的客戶。2015年第四季度會有樣片。如果要量產的話還需要兩年左右的時間。

　　小結

　　Xilinx的16nm產品推出了一系列組合拳，邏輯、處理、存儲、模擬，高集成、低功耗，功能可謂強大。不僅如此，Xilinx還希望通過軟件工具來吸引更多的軟件人員，以達到這樣的境界：只管用工具來設計，至于是神馬芯片并不重要。