28nm FPGA帶來的巨大性能提升
今年3月，賽靈思聲稱推出全球半導體領域第一款28nm產品——kintex-7 325T，這是該公司28nm系列中的中端產品。緊接著6月份，賽靈思推出第二個28nm產品，也是該公司28nm系列的高端產品Virtex-7，并聲稱“實現前所未有的連接功能、DSP處理能力和邏輯密度水平。”
差不多的時間，Altera也宣布了其28nm FPGA的三大產品：Stratix V，Arria V和Cyclone V。
那么，這些采用最昂貴工藝的28nmFPGA在性能上的突破是否“物有所值”？“根據我們在客戶中進行的調研，28nm時代， 客戶呼聲最高的是功耗。所以賽靈思28nm產品把功耗放在了研發的首要位置。通過一系列的創新， 賽靈思在28nm產品上實現了功耗減半， 性能加倍，成本也減半的重大突破。這些創新技術在未來幾年內將顛覆我們現有的系統設計模式。”賽靈思公司亞太區銷售及市場總監張宇清表示。因而，功耗成為這兩家FPGA巨頭競爭的重要指標，而工藝又是功耗指標的基礎。
“兩年前，賽靈思開始和TSMC展開合作，共同開發HPL工藝，我們稱之為28nm高性能低功耗工藝。HPL工藝的好處在于它可以降低靜態功耗，而不必在性能方面做出妥協。因此，賽靈思28nm產品線全部采用了28nmHPL工藝技術，并且比28nm HP技術有更低的靜態功耗。如果在相同運行速度下，HPL工藝的靜態功耗甚至比28nm LP工藝技術的還低。根據業界相關報道，在量產方面，28nm HPL技術也具有更低的風險性，因為它使用的不是SiGe拉伸，這種技術量產的時候情況很復雜。所以許多著名的客戶加入28nm HPL陣營也并不令人吃驚。”張宇清闡述其采用的HPL工藝時，一直是非常自豪的。“因此我們與臺積電通力合作，針對FPGA打造了一個理想的高效低功耗工藝，并把這種創新與賽靈思針對FPGA芯片設計提供的和通過設計自動化軟件實現的功耗優化完美結合。和上一代相比，7系列FPGA在同等性能下，功耗和成本分別降低了一半。”比如Virtex-7 系列產品相對前代產品而言，系統性能提高一倍，速度提升 30%，功耗降低 50%。
當然，Altera 也同樣表示，他們具有業界領先的低功耗。“比如中端Arria V器件系列采用了TSMC的28-nm低功耗(28LP)工藝進行開發，有利于在成本、性能和業界領先的低功耗方面達到均衡。中端FPGA（500K邏輯單元）最大功耗800 mW；中端FPGA中低功耗串行收發器6G時每通道最大功耗100 mW，10G時每通道最大功耗140 mW。”Altera亞太區資深市場經理羅嘉鸞也很自豪地表示。而高端28nm Stratix V FPGA通過關鍵技術，與前代產品比，總功耗也降低了30%。具體的降功耗方式采用了1）專利可編程功耗技術，提高了內核性能，同時降低了功耗。2）TSMC 28-nm高K金屬柵極高性能工藝，針對低功耗進行了優化。3）0.85-V內核電壓。4）部分重新配置 。5）嵌入式HardCopy模塊和集成內核，以及收發器硬核IP。
除了降功耗競爭外，I/O和DSP能力也是兩家競爭的焦點。Xilinx稱Virtex-7系列最多可提供96個速度高達28Gbps的串行通道。串行帶寬達2.7Tbps。單芯片DSP帶寬5.1T MACC；可提供3,960個運行速度高達700MHz。在單芯片容量方面，支持200萬個邏輯門，“是之前任何 FPGA 邏輯的2倍。”張宇清表示。
而Altera則稱，“我們開發了世界上第一款具有28-Gbps收發器的FPGA。Stratix VGT的工程樣片已經在今年的八月份開始發售。另外，在存儲器上，Stratix V也可以支持800 MHz的6 x72 DDR3存儲器接口。在Arria® V和Cyclone® V FPGA這兩個產品上，也將有硬的DDR３存儲器接口，讓客戶在設計上，例入時序上更簡單方便。”單片容量方面，羅嘉鸞表示加上嵌入式HardCopy模塊，單片上可容納14.3M ASIC邏輯門或者1.19M邏輯單元這樣一個驚人的單片容量。
在推出Kintex-7 K325T時，Xilinx表示，該器件是同類FPGA中第一個實現功耗大幅削減而為 LTE 無線射頻卡和下一代無線基站提供每美元最多通道數量的產品。此外，Kintex-7 支持平板顯示屏、便攜式超聲波設備和許多其他應用，并提供了包括高寬帶、低抖動的串行收發器所要求的出色性價比，可以滿足價格敏感型有線通信應用的苛刻要求。“以高清視頻監控為例，FPGA的作用不可小覷。高清監控，數據流量非常大，需要更高的處理能力，并且還要提供自動曝光、高效的自動白平衡求和高動態范圍等功能，傳統DSP已經難以應付，需要FPGA共同完成。”張宇清解釋。
而高端的28nm Virtex-7可以滿足路由器、交換機、100GE 線路卡、面向集成式多路復用器/轉發器應用的 100Gb 光傳輸網絡 (OTN) 復用轉發器、300G Interlaken 橋接器和 400G 光網絡卡等有線通信設備需求，特別是滿足這些應用的高速低抖動串行收發器要求。在需要 10G-SDI、10GE、PCIe等通用接口標準的廣播應用中，產品開發人員可用單個 FPGA 實現方案來替代 ASIC 和多芯片組 ASSP 解決方案。需要下一代高分辨率系統的醫療設備也能發揮 FPGA 相對于傳統 ASIC/ASSP 在靈活性和產品上市進程方面的優勢。Virtex-7 產品還能用于無線基帶處理，替代分離的 DSP 處理器和定制 ASIC，從而滿足極高性能數字信號處理需求。此外，這些超高端器件還提供了構建下一代測試測量設備所需的邏輯密度、性能和I/O帶寬。即使系統仍可采用ASIC 解決方案，但采用 Virtex-7 FPGA相對而言還能幫助設計人員在原型和仿真階段減少器件使用數量，從而降低成本以及互聯/設計的復雜性。
而在Altera方面，他們的高中低端正28nm產品分別可以滿足以下主要市場需求：
Stratix V GT FPGA提供28G收發器，適用于需要超寬帶和超高性能的應用。例如40G/100G/400G應用。
Stratix V GX FPGA集成14.1-Gbps收發器，支持背板，芯片至芯片和芯片至模塊。適用于高性能、寬帶應用。
Stratix V GS FPGA集成14.1-Gbps收發器，支持背板，芯片至芯片和芯片至模塊。適用于高性能精度可調數字信號處理(DSP)應用。
Stratix V E FPGA在高性能邏輯架構上提供952K 邏輯單元，適用于ASIC原型開發。
Arria V FPGA (GX 和GT) 硬核IP功能以及集成10G收發器等特性使得Arria V FPGA成為滿足中端應用性能和各種標準需求的理想選擇，這些應用包括無線、固網、廣播和視頻等最終市場。
Cyclone V FPGA （E，GX 和GT）能夠滿足大批量應用所需要的功耗、成本和性能要求，這些應用包括協議橋接、電機控制驅動、廣播視頻轉換器和采集卡，以及手持式設備等。
TSMC的28nm 量產能否順利進行？
盡管以前Xilinx不在TSMC代工，但是從28nm起，它與Altera 一樣都開始在TSMC代工了，而TSMC能否順利進入28nm工藝的量產也是業界較為關心的話題。
“我們不方便對TSMC 28nm工藝量產的挑戰發表評論。然而，我們非常有信心，我們的28nm技術將按照我們最初的規劃，將在2012年上半年，從樣片走向量產。Kintex將是首先進入量產的28nmFPGA。”張宇清表示。
而羅嘉鸞對于量產也充滿信心。她解釋，在半導體行業里，有所謂工程樣片（Engineering Samples ES）跟生產器件（Production ）。兩者的設計跟生產工藝上是一致的，分別只在于是否已經完成了所需的詳盡測試和可靠性報告而已。即使在ES著階段，也可大量生產。從我們過去超過十六年跟TSMC 的緊密合作，已經建立了一套非常完備的工藝優化的流程， 而且雙方都有很深厚的互動，多年來合作積累下來的默契。這些都不是短時間內能達成的。目前我們公司內部對28nm 量產方面的進度很滿意，非常有信心在不久的將來可以進入量產的階段，再一次創造另一個里程碑。
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