下一代FPGA有望实现突破性优势

其他工艺技术能够完善Intel的14 nm三栅极工艺，例如，TSMC的20SoC和55 EmbFlash，以实现多种系统设计目标。

例如，TSMC的20SoC工艺支持客户在产品中采用下一代FPGA，在能够使用14 nm器件之前，就可以投入到大批量宽带基础设施市场中。客户的内核性能得到了提高，与目前大批量应用的功能相似的FPGA相比，系统可以运行在500 MHz以上，其ARM?处理器高达1.5 GHz，而功耗降低了50%。这一20 nm工艺是客户满足关键目标的基础，例如，电信、数据中心和其他应用所要求的单位比特成本和每瓦性能。嵌入式闪存工艺等其他工艺支持系统设计人员获得单位I/O引脚最低成本，支持低功耗解决方案，还可以采用模拟电路和非易失闪存，而这是其他工艺在经济上无法实现的。

　　体系结构和IP

为满足比当今应用高出四倍的带宽性能需求，应采用更先进的工艺技术。这需要新的逻辑体系结构、新IP，以及新的串行连接等。

下一代体系结构与前沿工艺技术相结合，能够显著提高内核性能。例如，Altera最近发布了新的高性能体系结构。与Intel的14 nm三栅极工艺结合后，其内核速率达到了令人吃惊的1 GHz。

这一体系结构极大的提高了数字信号处理(DSP)能力。这些DSP模块已经应用于FPGA中，而浮点运算的效率会更高。FPGA支持其性能达到每秒10兆次浮点运算(teraFLOPS)。将提供每瓦每秒100 giga浮点运算(GFLOPS)，是性能最好、功效最高的解决方案之一，这对于现有DSP或者图形处理单元(GPU)是无法想象的。这将在金融、能源、云数据分析等高性能、大数据量计算应用中实现突破性功能。

通过提高数据速率、通道数量，包括更多的硬核特性，也将大幅度提高串行带宽。FPGA公司宣布其下一代收发器技术数据速率将达到56 Gbps。Altera等公司目前提供的单管芯FPGA的收发器数据速率是28 Gbps。单单下一代FPGA的28 Gbps通道数量就将增加四倍，实现下一代100G光接口的多个例化，例如CFP2、CFP4和QSFP28等。采用自适应判决反馈均衡器(DFE)等增强信号调理技术，即使是在电噪声环境中，收发器也满足了高损耗背板应用需求。而且，使用增强前向纠错(FEC)等技术，能够克服30 dB通道损耗，延长背板传输距离，支持使用低成本材料，而不会牺牲系统误码率(BER)。功能的增强提高了收发器的可用性。例如，硬核物理编码子层(PCS)模块可以处理8b/10b和64/66b等多种编码方法，还为Interlaken和10 Gbps以太网(GbE)数据流提供关键的处理功能。而且，为PCI Express? (PCIe?) Gen1、Gen2和Gen3提供全面的协议栈。今后的FPGA将大规模采用串行存储器。串行存储器接口采用了10-15 Gbps高速串行收发器，克服并行存储器接口的带宽、延时和功耗局限。请参见图4。

　　图4.28 Gbps工作，采用了Altera的20 nm工艺技术

虽然某些应用需要最新的体系结构、IP和串行技术，例如，400G解决方案，但是，这对于其他应用不一定是最优方案，反而有可能影响其功耗和成本目标。有必要针对不同的FPGA和不同的应用而有选择的使用这些技术。

　　处理器集成

FPGA总是能够提高电路板上组件的集成度，而影响最大的是最近集成了基于ARM的硬核处理器系统(HPS)。HPS集成了独立但是高度集成的处理器以及硬核外设和可编程逻辑，开发了芯片系统(SoC)解决方案。这种集成是从28 nm可编程逻辑技术和ARM Cortex?-A9处理器开始的，FPGA中的这种体系结构得到了广泛应用，这些SoC的发展将为ARM处理器供应商的长期产品发展路线产生积极影响。系统规划人员现在有更多的选择来提高集成度，增强系统性能、降低系统成本和功耗，减轻供应链风险。没有采用这些可编程SoC的系统规划人员会吃惊的发现：

■ 不同类型的器件系列有大量的SoC产品

■ 可编程逻辑和处理器之间的紧密集成提高了性能，降低了延时。

■ 工程师通过28 nm SoC、开发套件和工具来使用这一新技术

■ 部分FPGA供应商提供ARM辅助系统支持

图5显示采用了ARM Cortex-A9处理器的第二代HPS模块。

　　图5.采用了ARM Cortex-A9处理器的第二代HPS模块

　　下一代FPGA和SoC即将出现

28 nm工艺节点之后发布下一代PLD的第一家公司是Altera，推出了10代系列产品。Altera使用了定制方法，所有PLD提供商在其各种低成本、中端和高端产品系列中广泛使用了不同的工艺技术、不同的体系结构和IP以及不同的集成方法。第10代系列产品包括Stratix? 10以及Arria? 10 FPGA和SoC，满足了需要一些中等速率收发器的应用需求，以及需要多