利用 All Programmable FPGA、SoC 和3D IC 领先一代

作者：Mike Santarini；出版方：赛灵思 Xcell 杂志

赛灵思在 28nm 节点上推出的多种新技术为客户带来了重大的超前价值，并使赛灵思领先竞争对手整整一代。赛灵思并不是简单地将现有的 FPGA 架构迁移到新的技术节点上，而是力求引领多种 FPGA 创新，并率先推出了 All Programmable 3D IC 和 SoC。

今天推出的 All Programmable 产品采用了各种形式的可编程技术，包括可编程硬件和软件、数字信号和模拟混合信号 (AMS)、单晶片和多片 3D IC 方案（图 1）。有了这些全新的 All Programmable 器件，设计团队就能进一步提升可编程系统的集成度，提高整体系统性能，降低 BOM 成本，并以更快的速度向市场推出更具创新性的智能产品。


图 1：赛灵思超越逻辑范畴在 28nm 节点上对“可编程性”进行扩展，推出了一系列 All Programmable 器件。

2008 年，赛灵思在新任 CEO Moshe Gavrielov 的领导下开始对产品系列实施转型。赛灵思启动了一套全面战略，用以扩展技术组合，扩大市场范围，并引入了最先进的 28nm 节点技术。

其中，赛灵思实验室和产品设计团队经过多年原型设计和评估而开发出的两种全新器件也即将投入量产。公司还同台积电合作推出了全新的 28nm 芯片工艺。这种被称为 HPL（含义是高性能、低功耗）的新工艺实际是为 FPGA 量身打造，具有最佳的高性能和低功耗特性。赛灵思认识到功耗是客户的首要关注点，因此整个 All Programmable 产品线都采用这种先进的工艺制造（见 Xcell 杂志第 76 期封面报道）。赛灵思还组建了一只顶级的 EDA 设计团队来开发全新的现代化设计套件，其目标不仅是为了提高客户在使用 5 个 28nm 器件系列时的工作效率，还有一个目的是为了满足今后10 年内 All Programmable 器件的可扩展性要求。

ZYNQ-7000 ALL PROGRAMMABLE SOC

Zynq-7000 All Programmable SoC（片上系统）是首批推出的新型产品，它获得了《EE Times》杂志评选的年度创新大奖，是一款改变业界格局的重要产品。All Programmable SoC 整合了 3种适用于大规模定制化的可编程功能，分别是硬件、软件和 I/O 可编程性。赛灵思已经推出了数代采用片上软核与硬核处理器的 FPGA 产品，在此基础之上并结合多年来广泛收集的客户反馈，最终形成了 Zynq-7000 All Programmable SoC 产品理念。

从上世纪 90 年代末开始，赛灵思和竞争对手都推出了软处理器内核，客户可将这种内核综合到 FPGA 逻辑结构中。这样，设计团队就能在统一的架构中将处理与逻辑功能紧密整合，从而进一步降低 BOM 成本。在实践中，许多软处理器都被用于嵌入式状态机，而不是运行在更为复杂的操作系统和软件堆栈系统中。2005 年左右，新的半导体工艺使得 FPGA 厂商能够推出更高容量的器件，于是厂商开始将硬处理器内核与 FPGA 逻辑配合使用，从而显著改善了 FPGA 的处理性能。例如，赛灵思先后推出的 Virtex®-4 FX 和 Virtex-5 FX 系列都在 FPGA逻辑中嵌入了 PowerPC® CPU 内核。

Virtex FX 系列相对于软实现方案大幅提高了处理器性能，设计团队要先对 FPGA 逻辑进行编程才能对处理器编程。一旦 FPGA 逻辑进行了编程，设计团队就需要创建自己的外设、存储器子系统并最终创建“嵌入式系统”和相关的进出逻辑的管道。熟悉 FPGA 设计的专家设计团队当然希望实现处理器性能的提升，不过这种架构相对于更受欢迎的传统嵌入式系统设计方法而言更复杂。在此经验基础上，赛灵思于 2008 年开始进行 Zynq-7000 All Programmable SoC 的架构设计，同样重要的是，公司还开始设计相关的生态系统，包括固件和软件开发工具以及基础设施，从而协助器件的编程工作。

对 Zynq-7000 All Programmable SoC 而言，赛灵思选择了非常受欢迎而且得到很好支持的 1-GHz ARM® A9 双核处理器系统，并协同 ARM 创建 AXI4 接口标准，在架构的逻辑部分实现第三方、赛灵思和客户开发的内核的即插即用。此外，赛灵思还对 Zynq 系列进行架构设计，使其能够从处理器直接启动，这样系统设计人员就能以熟悉的方式开展工作，帮助设计团队尽快启动软件开发工作，从而加快产品上市进程。由于处理器首先启动，所以软件设计人员即便不熟悉 FPGA 逻辑或硬件设计也能开始使用器件，或许还能扩展编程范围。赛灵思还为 Zynq-7000 提供了丰富的外设 IP 核以及可编程的高速 I/O，不仅能为客户带来 FPGA 和处理器，而且能实现真正的 All Programmable SoC。

赛灵思于 2010 年推出该架构，有力推动了客户和生态系统合作伙伴的产品开发工作。公司于 2011 年冬天向客户推出首款 All Programmable SoC。某家公司作为最早获得该产品的客户之一一年多以来一直在用 Zynq 仿真平台进行设计方案的定义和开发，收到芯片之后几个小时之内就让设计方案成功运行。今天，Zynq 的需求跟其它赛灵思 FPGA 系列一样高，大多数应用都集成了不同 CPU、DSP、FPGA 和 AMS 组件中使用的系统功能。如欲了解关于 Zynq-7000 All Programmable SoC 的更多详情，敬请参阅 2011 年 3 月第 75 期 Xcell 杂志的封面报道。

截至 2012 年 9 月，已有一家公司宣布了推出竞争性器件的计划，但还没有宣布交付芯片，而且也没有成规模的生态系统为其提供足够的支持。