赛灵思基于统一可扩展架构的7 系列FPGA 产品揭秘

日前，赛灵思发布题为《赛灵思基于业界首款统一可扩展架构的 7 系列 FPGA ，将功耗锐减 50%，容量高达 200 万个逻辑单元》的新闻稿，赛灵思以其全新 Artix™-7、Kintex™-7 以及 Virtex®-7 FPGA 系列将可编程逻辑器件推向更广阔的应用市场。赛灵思全新系列 FPGA产品通过实现低功耗、超过 2TB 的I/O带宽，以及高达 200 万个逻辑单元的容量，解决了 FPGA 此前开拓新市场和各种新应用遇到的障碍。同时，赛灵思通过增强芯片级架构，利用 ISE® 设计套件中的新型领域专用功能、采用 AMBA®-AXI 互连技术以及目标设计平台战略的其它组件，集中力量提高生产力，努力为不熟悉可编程逻辑的开发人员提供更好的选择。

与所有其它新系列 FPGA 产品一样，7系列产品也提高了性能和容量，使可编程逻辑能支持更多应用。不过，性能与容量的提高必须配合功耗的大幅降低，这样才能让开发人员真正充分发挥28nm FPGA的优势。为此，赛灵思高度重视降低静态功耗和动态功耗，努力将总功耗锐减至前代产品的一半。

除了在实现最低功耗、最高性能和最大容量方面领先于业界之外，7 系列产品还将ISE 设计套件、IP 、开发板以及目标参考设计等关键 FPGA设计元素整合在一起，为赛灵思新一代目标设计平台奠定了基础，可加速 FPGA 系统开发。该系列产品还率先采用了业界唯一一款能够支持从低成本到超高端不同产品系列的统一架构，从而可在同一系列内以及不同系列间进行设计扩展。由于所有 28nm 系列产品的底层架构都建立在广泛采用的 Virtex 系列架构的基础之上，因此从 Virtex-6 和 Spartan®-6 FPGA 等前代产品进行设计移植比从更早的产品上移植容易得多。

FPGA 发展能取得如此巨大进化变革并非偶然，这是赛灵思快速推进业界发展里程碑的重大步骤，目标就是更好地为开发人员、最终市场和应用提供可编程技术，顺应“可编程技术势在必行”这一发展趋势。这是当前半导体产业发展的真实写照，也就是说，在目前风险规避情绪继续主导经济和市场以及功耗预算日益紧张的情况下，较高的芯片开发成本会触发对高系统性能需求的不断增长以及对芯片可重配置性和可编程性的迫切需求。（如欲了解有关“实现可编程技术势在必行”的更多信息，欢迎下载有关白皮书：
http://www.xilinx.com/support/documentation/white_papers/wp306.pdf 。）

不同的方法：统一架构， 多种 FPGA 系列
赛灵思的 28nm 平台基于其业界领先的第四代面向应用的组合模块 (ASMBL™) 架构，并采用 Virtex-4 FPGA 系列率先推出的独特的列状技术（columnar technology）。赛灵思在其业经验证的 Virtex-6 ASMBL 架构、 200 多项技术创新以及 100 项新专利的基础上，推出了三款全新统一28nm FPGA 系列产品。所有这些新系列产品均采用相同的架构构建块（逻辑结构、Block RAM、时钟技术、DSP切片、SelectIO™技术），以不同比例组合，并针对不同应用进行了优化，能满足从最低到最高器件密度和功能需求。这种方法使我们能够推出目前最完整的 28nm 可编程产品系列，其中包括业界功耗和成本最低的 Artix-7系列、业界性价比最佳的 Kintex-7 系列，以及业界系统性能和容量最高的 Virtex-7 系列。

相对于前代 FPGA 系列产品而言，Artix-7 FPGA 的功耗比 Spartan-6 FPGA 减少了一半，成本降低了 35%，占位面积缩减了一半；而 Kintex-7 FPGA以 Virtex-6 FPGA 一半的成本和功耗提供了与其相当的性能。此外，Virtex-7 FPGA 的密度达到 200 万个逻辑单元，比前代或现有的任何 FPGA 密度都高，在降低一半功耗的情况下实现了系统性能翻番。赛灵思制定了 EasyPath™ 成本降低计划，可确保 Virtex-7 FPGA 用户在无需增量转换或工程投资的情况下还能将成本再降低 35%。开发人员可使用从低成本到超高端的多个统一 FPGA 产品系列，轻松满足应用扩展需求，让 28nm 产品系列支持各种系统性能、容量和成本要求，同时不超过系统功耗预算。针对功耗、性能和可扩展性而优化
功耗是阻碍可编程逻辑向 ASIC 和 ASSP 的新应用和新市场扩展的关键因素。在消费领域，功耗预算会限制视频分辨率的提高和集成图形处理特性，而功耗预算又是由可用电池使用寿命来决定。消费者家中使用的电器越来越多，会造成城市用电负荷上升，这就催生了新的法规，要求电器制造商必须将功耗降低多达 40%。同时，用电成本也在上升，导致其成为设备运营的主要支出，这一点在大型基础设施系统中尤为突出。比方说，在有线通信系统中，用电成本占运营支出多达四成。

赛灵思千方百计从工艺、架构和软件等不同角度降低功耗，使 7 系列 FPGA 产品相对于前代产品而言总功耗降低了一半，静态功耗锐减 65%。赛灵思从芯片工艺技术开始着手，与台积电开展通力合作，共同定义了最新 28nm高介电层金属闸 (HKMG) 工艺技术，专为 FPGA 及其他核心逻辑器件进行了优化，使其静态功耗比标准 28nm 高性能工艺降低了一半，同时仍能满足高强度应用的性能需求。赛灵思工程师还实现了创新性架构增强，将核心逻辑和 I/O 的动态功耗均降低了多达 30%。上述架构增强特性包括：认真选择晶体管，以达到每个硬模块的功耗降低目标；以及添加低功耗 I/O 模式，以实现高系统带宽并显著降低功耗（其中包括客户可选的 I/O 模式，在 I/O 闲置时进一步降低功耗）。对于希望进一步实现节能的赛灵思客户而言，他们可用ISE 设计套件软件版本来支持 28nm FPGA 系列所采用的智能时钟门控制技术和第五代部分可重配置技术，将动态功耗再次降低 30%。此外，选用 0.9V Vcc低功率级器件可将静态功耗和动态功耗分别再次降低 27% 和 20%。

赛灵思从 28nm工艺技术方面降低功耗的方法主要以避免浪费电力为重点，可提高可用性能，尤其是可将超高端产品的DSP 性能提升至 2.37 TMAC，让 200 万个逻辑单元的时钟速度都高达 600 MHz，而且高速连接性能高达2.4 Tbps。赛灵思对所有 FPGA组件进行了改进，以促进系统性能提升，并通过相互平衡实现前所未有的超高性能，包括逻辑容量扩大 2.5 倍，以能够并行运行更多计算，而且 DSP 的内部核心信号或数据处理能力提升 1.9 倍。就内部数据缓冲而言，7 系列的内部 BRAM 增加 1.7 倍，闲置时可以关闭，从而实现节能。就外部存储器接口而言，DDR3 性能比 Virtex-6 FPGA翻了一番，达到2,166 Mbps，成为了 FPGA 业界的最高性能。事实上，整体 I/O 吞吐量达到了前所未有的高度，相对于前代产品而言，并行带宽提升了 1.2 倍，串行带宽提升了 1.6 倍，I/O速度超过 1.9 Tbps。此外，赛灵思还增加了嵌入式串行收发器的数量，提升了其性能，线速高达 13.1Gbps，且单个 FPGA 能支持多达 80 个收发器。

赛灵思统一 28nm 架构的可扩展性使开发人员能够针对应用进行资源适当组合，充分而高效地发挥所有功能，从而让设计方案在功能方面可根据需要收放自如，既可降低功耗和成本，又能大幅提升性能。统一架构不仅支持三款全新 28nm FPGA 系列间的移植，而且还简化了从上一代赛灵思 FPGA 中移植设计方案的工作。由于 28nm 架构的 FPGA 元件源自 Virtex-6 系列，因此设计人员现在就能用 Virtex-6 和 Spartan-6 FPGA 开始设计工作，而且能确保目前的设计方案能移植到 7 系列 FPGA 上。系统制造商还能利用其专有 IP投资的效益，快速扩展产品系列，提供具有更高性能或更低成本的产品，从而满足相邻市场需求。赛灵思及其第三方 IP 核提供商还能在整个 28nm 产品系列上更迅速地部署丰富的IP，更快地响应于更大规模 FPGA 开发生态系统的要求。赛灵思及其生态系统合作伙伴共同构建 28nm 目标设计平台，将 IP 核、参考设计、开发工具和模板整合到完整套件中，以帮助赛灵思客户降低成本，缩短开发时间，更好地实施可编程解决方案，支持更多不同类型的应用，满足从低成本到超高端系统的各种要求。这对今后发展至关重要。

Artix-7 FPGA 系列
Artix-7 系列提供了业界最低功耗、最低成本的 FPGA，采用小型化封装以及 Virtex 架构增强技术，能满足小型化大批量产品市场需求，这也正是此前 ASSP、ASIC 和低成本FPGA 所针对的市场领域。Artix-7 器件的密度从 2 万到 35.5万个逻辑单元不等，比Spartan-6 FPGA 速度快 30%，功耗降低一半，且价格也降低 35%。设计人员从Spartan-6 FPGA 移植到 Artix-7 器件，可将静态功耗降低多达 85%，动态功耗则降低多达 35%。其主要特性包括支持高达 3.75 Gbps 线速的 GPT 串行收发器、支持 3.3 V、连接到传统组件的 I/O，以及最低功耗的线焊封装，此外也可选尺寸最小的芯片级封装和1.0mm 焊球间距的低成本 PCB 制造封装。

Artix-7 FPGA既能满足电池供电的便携式超声波设备的低功耗高性能需求（功耗不到 2W），又能满足高端商用数码相机镜头控制和供电电压为12V的新一代车载信息娱乐系统的小型、低功耗要求，还能满足军用航空电子和通信设备严格的 SWAP-C（大小、重量、功耗和成本）要求。

Kintex-7 FPGA 系列
Kintex-7 系列是一种新产品，能以不到一半的价格获得 Virtex-6 FPGA 的性能，性价比翻一番，而且功耗减少一半，为高端功能提供了平衡优化的配置。这种高度优化的产品旨在用于低成本信号处理，其提供丰富的 DSP切片、内部存储器和 10.3 Gbps 的 GTX 串行收发器，且价格极富吸引力，理想适用于中等密度的应用需求。Kintex-7 FPGA 的逻辑密度从3 万到 40万逻辑单元不等，性能比 Artix-7 FPGA 高 40%，与 Virtex-6 FPGA 相当，速度比 Spartan-6 FPGA 提高 70%。

Kintex-7 FPGA 提供了低功耗高性能的信号处理能力，理想适用于长期演进 (LTE) 无线电和基带子系统的实现。第五代部分重配置技术进一步降低了功耗和成本，能广泛部署于毫微微基站、超微 (pico) 基站和主流基站中。上述产品的串行连接功能、存储器和逻辑性能也非常适用于大批量有线通信设备，如 10G 无源光网络 (PON) 光线路终端 (OLT) 线路卡，可为家庭社区提供高速网络。

此外，Kintex-7 FPGA 不仅能帮助开发人员满足消费电子市场中高清 3D 平板显示器严格的成本和功耗要求，而且还可以提供支持新一代广播视频点播系统的IP 视频桥接器所需的高带宽和性价比，以及军用航空和便携式超声波设备所需的高性能图形处理能力，以支持多达 128 个高分辨率通道。

Virtex-7 FPGA 系列
与 Virtex-6 FPGA 相比，Virtex-7 系列的系统性能翻了一番，功耗降低一半，速度提升30%，从而将这一业界最成功的 FPGA 架构推到了全新的高度。该系列产品针对通信系统进行了精心优化，以最大型的 FPGA 支持最高性能和最高带宽串行连接功能。Virtex-7 系列包含 Virtex-7T 和 Virtex-7XT 两个子系列产品，属于超高端产品之列，在嵌入式收发器、DSP 切片、存储器模块和高速 I/O 的数量与性能方面将 FPGA 技术发挥到了极致，为业界树立了新的基准。

Virtex-7T 器件提供多达 36 个 10.3 Gbps GTX 串行收发器，具有超高端逻辑容量（逻辑单元多达 200 万个），而且实现了业界最高的并行 I/O 带宽（SelectIO™ 引脚多达 850个）。这种 I/O 配置提供了最大数量的 72 位 DDR3 存储器并行 bank，支持 2,133 Mbps 的性能。Virtex-7XT 产品将功能进一步扩展，其单个 FPGA 就能实现最高串行带宽，不仅可提供多达 72 个速度达 10.3 Gbps 的 GTH 收发器，或 80 个 GTH 和 GTX 收发器（其中24 个运行速度为 13.1 Gbps，另外 56 个运行速度为 10.3 Gbps），而且还具有更高的DSP到逻辑比 (DSP-to-logic ratio)，可实现更高吞吐量，支持多达 3,960 个 600 MHz 的 DSP 切片，总性能达 4.7 TMAC。此外，7XT FPGA 还有更出色的片上BRAM到逻辑比，高达 65 MB，可满足低时延数据缓冲要求。赛灵思将在本系列中增加带有 28 Gbps 收发器的产品，具体情况将稍后披露。

Virtex-7 FPGA 旨在满足最高性能无线、有线和广播基础设施子系统的需求。Virtex-7 FPGA 的 TeraMACC 信号处理能力支持 400G 桥接和交换结构有线通信、高级雷达和高性能计算系统。产品开发人员可用单个 FPGA 的 100GE 线路卡实施方案取代 ASIC 和多芯片组 ASSP 解决方案，以增加带宽，从而满足集成式多路复用器/转发器应用中100GB 光传输网络 (OTN) 复用转发器、300G Interlaken 桥接器以及 400G 光网卡的需求。此外，这种超高端产品还提供了构建新一代测试测量设备所需的逻辑密度、性能和 I/O 带宽。如果系统确实需要采用 ASIC，那么 Virtex-7 FPGA 可帮助设计人员在原型设计和仿真阶段减少器件数量，从而降低成本，减少互连/设计的复杂性。

新一代目标设计平台
最新 28nm FPGA 系列产品为赛灵思的新一代目标设计平台奠定了坚实的芯片基础，可加速创新，降低开发系统的成本与系统功耗，并提高带宽和性能。与量产型 40nm Virtex-6 和 45nm Spartan-6 FPGA 系列同步首次推出的赛灵思目标设计平台战略为系统设计人员提供了更简单、更智能的设计方法，帮助他们通过集成 FPGA 器件、设计工具、IP、开发套件和目标参考设计这五大关键设计元素快速而高效创建地 FPGA 片上系统解决方案。（如欲了解有关赛灵思目标设计平台的更多信息，欢迎访问：
http://www.xilinx.com/cn/support/documentation/white_papers/wp306.pdf 。）

最新 28nm 平台为不断增加的设计人员群体提供了特定领域的 ISE 设计环境，进一步推动了赛灵思目标设计平台战略的发展。增强型设计环境不仅提高了效率和生产力，具有更庞大的 AMBA4/AXI4 互联 IP 生态系统，能满足即插即用设计需求，而且还提供了不断发展的针对特定市场的目标参考设计。上述最新发展使赛灵思客户能在针对新一代应用过渡28nm 平台过程中继续集中精力做好差异化工作。

编者注：以下网站提供了更详细介绍赛灵思统一28nm架构和最新 7 系列FPGA产品的白皮书： www.xilinx.com/cn/7 。