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

ALL PROGRAMMABLE 3D ICs

赛灵思率先在 28 nm 工艺节点上推出的另一类全新器件就是所谓的“All Programmable 3D IC”。早在 2004 年，赛灵思实验室就开始探索多芯片在统一 IP 配置中的堆栈，并最终推出了原型设计，以突破摩尔定律的限制，开创可编程系统集成的全新高度。赛灵思的科学家创建了各种 3D IC 架构的测试芯片，探索堆栈芯片的各种方法，并通过 TSV 给芯片供电，支持芯片间通信。通过广泛的原型设计，并致力于可靠的制造，该公司判定近期商业上可行的最实用架构就是赛灵思的 SSI 技术。就此架构而言，多芯片在无源硅中介层顶部并行放置，有助于多芯片之间的互联和通讯。芯片通过编程可支持超过 10000 个互联，而且每
个芯片和 I/O 都具有可编程性，这样赛灵思所推出的就不光是首款商业 3D IC，而是首款 All Programmable 3D IC 了。如欲了解关于 SSI 技术的更多详情，敬请参阅第 77 期 Xcell 杂志的封面报道。

2012 年初，赛灵思为客户推出首款 3D IC。Virtex-7 2000T 器件并行协议栈 4 个 FPGA 逻辑slice。该器件建立了一项 28nm 工艺节点上 IC 晶体管数量的新纪录（超过 68 亿个晶体管），也突破了 FPGA 逻辑容量的记录，可提供 200 万个逻辑单元（相当于 2 千万个 ASIC 门）。该器件的尺寸相当于同类竞争器件最大型 FPGA 尺寸的两倍，其逻辑容量比该工艺节点上通常预期的水平整整领先了一代。此外，该 SSI 技术架构还帮助赛灵思提供的容量超越了摩尔定律设想未来新一代的产品水平。

Virtex-7 2000T 器件深受客户欢迎，并广泛应用在包括 ASIC 原型设计、存储和高性能计算系统在内的各种设计应用中。这些应用都需要业界能够提供的最高容量的可编程逻辑。不过，赛灵思还进一步扩展了其 3D IC 技术，能够充分满足通信市场中最高性能的应用需求，整整领先同类竞争解决方案一代的水平。

2012 年夏季，赛灵思推出了面向通信市场的三款异构 All Programmable 3D IC 中的首款产品：
Virtex-7 H580T（参见 Xcell 杂志第 80 期的封面报道）。Virtex-7 2000T 是一款同质 3D IC，其所有四个芯片/slice 都主要由 FPGA 逻辑构成，而 Virtex-7 H580T 则是首款异构3D IC。

为了推出 Virtex-7 H580T，赛灵思在无源硅中介层上将专用的 28G 收发器芯片与两个 FPGA 芯片并行放置。这样一来，赛灵思推出的器件就能提供 8 个 28-Gbps 收发器、48 个 13.1-Gbps收发器和 580k 逻辑单元。对于基于 CFP2 光学模块的 2x100G 光学传输线路卡等应用而言，Virtex-7 H580T 不仅可将材料清单成本锐减五分之一，还能相对于上一代实现方案而言显著减少板级空间。

Virtex-7 H580T 只是赛灵思 28nm 系列中推出的首款异构 3D 器件。Virtex-7 H870T 器件在同一芯片上集成了 2 个八通道收发器芯片以及 3 个 FPGA 逻辑芯片，从而实现了在一个芯片上总共有 16 个 28-Gbps 收发器、72 个 13.1-Gbps 收发器和 876,160 个逻辑单元。Virtex-7 H870T 器件可全面支持新一代有线通信，也就是400G 市场。此外，赛灵思的 3D IC 技术将帮助客户
在市场成型之初就能开始 400G 应用的开发工作，并获得显著的市场优势，甚至有望比同类竞争对手整整领先一代技术。

All Programmable 3D IC 是 All Programmable 器件又一个遥遥领先于同类竞争解决方案的系列。虽然近期有一家公司宣布同台积电代工厂合作生产了测试芯片，但该公司还没有公开宣布面向客户推出样片或量产器件。

ALL PROGRAMMABLE FPGA

自赛灵思推出业界首款 FPGA（1985 年推出相当于 1000 个 ASIC 门的 XC2064）以来，FPGA 已经取得了长足的发展。最早的 FPGA 定位于门阵列和 ASIC 的替代品，主要用作“粘性逻辑”，协助两个最初设计不相互通信的器件进行对话，此外也能在设计最后时刻为大型 ASIC 补充此前缺失的功能。

时光快进到当下， 显然， 现代 FPGA 产品已经远远超越了门阵列的水平。今天的 All Programmable FPGA 不仅包含数百万个可编程逻辑门，还嵌入了存储器控制器、高速 I/O 以及模拟/ 混合信号电路系统。就过去的 FPGA 而言，设计团队能用它解决系统中的问题，或者把系统元素“粘合”在一起。而就今天的 All Programmable FPGA 而言，能够帮助客户创建高性能数据包处理、波形处理、图象/ 视频处理或高性能计算功能，而且能在系统中进行动态重编程，也能在产品部署后进行升级。

赛灵思在 All Programmable SoC 和 3D IC 市场中还没有遇到过竞争对手，要是能在传统的FPGA 市场中领先竞争对手整整一代的水平当然也是一个巨大的成就。为了实现这个目标，赛灵思制定了一个明确的战略，首先推出 28nm 的 FPGA 芯片，通过扩展组合涵盖低端、中端乃至高端产品的各种不同要求。赛灵思还制定了区分所有 28nm 工艺芯片特色化的目标，一是在系统性能和集成度方面领先对手一代的水平，二是功耗降低再领先一代的水平，三是串行解串器大跃进实现最低抖动和无与伦比的通道均衡，四是新一代工具套件为未来的需求提供高效率、结果质量（QoR）和可扩展性优势。

事实上，赛灵思已经实现了上述所有目标，于 2011 年 3 月推出了首款 28nm 系列产品Kintex ™ -7 K325T（同时也是首款中端产品）。赛灵思实际上是整个半导体产业中首个推出28nm 芯片的企业。赛灵思决定基于台积电的 HPL 工艺实施全系列 28 nm All Programmable器件，而且为进一步降低功耗采用关键的架构创新，这使得公司目前为客户提供的 All Programmable FPGA 产品对同类性能的竞争产品而言能将功耗降低 35% 到 50%，在用电效率上领先了整整一代的水平（图 2）。赛灵思的 28nm FPGA 还实现了无与伦比的高性能和高集成度（图 3）。系统性能和集成度（包括 BRAM、DSP、存储器接口、收发器和逻辑元件的集成）都超越竞争对手 1.2 倍到 2 倍，平均优势达 1.5 倍，也相当于领先整整一代的水平。


图 2：客户设计显示相同性能水平下的功耗平均比竞争对手降低 35%。


图 3：赛灵思的 28nm FPGA 相对于竞争对手而言在性能和集成度方面领先了整整一代的水平。

公司已经根据规范推出了 All Programmable 器件，FPGA 量产器件还没有勘误表。此外，赛灵思的 All Programmable FPGA 还可提供竞争对手所没有的特性。举例来说，所有赛灵思的 28nm FPGA 都包含灵活混合信号模块，通过支持在 FPGA 中实现的模拟系统功能（而不是采用外部分离式的模拟器件）进一步降低材料清单成本。