仅有16nm还不够，Xilinx在下一代FPGA/SoC中加入多种猛料

2月底，Xilinx发布了下一代16nm产品特点的新闻：《Xilinx凭借新型存储器、3D-on-3D 和多处理SoC技术在16nm继续遥遥领先》(http://www.eepw.com.cn/article/270122.htm)，大意是说，Xilinx新的16nm FPGA和SoC中，将会采用新型存储器UltraRAM, 3D晶体管(FinFET)和3D封装，Zynq会出多处理器产品MPSoC，因此继28nm和20nm之后，继续在行业中保持领先，打破了业内这样的规则：Xilinx和竞争对手在工艺上交替领先。

　　图 Xilinx 16nm产品具备的主要功能

　　为何此时宣布2年后的新产品?

　　人们不免产生这样的疑问，2014年12月，Xilinx的20nm芯片刚刚量产。为何Xilinx又如此之快地宣布两年后将会量产的16nm计划?答案是：你懂的!Xilinx的竞争对手Altera二三年年前已宣布和Intel进行战略合作，Altera的14nm 3D(Trigate)芯片将由Intel代工。当时Xilinx的代工厂——台积电的技术(16FF)还无法和Intel匹敌。这次，代工厂台积电推出了16FF+新工艺，Xilinx的腰板一下子硬了。

　　当然，仅仅靠代工厂也显得太low了，在上一次20nm+UltraScale组合的成功基础上，Xilinx又推出了前述的多种猛料，并抛出了16nm的UltraScale+、SmartConnect等料。

　　另外，Xilinx的销售策略也改变了，多种制程的产品将在市场上共存，这也是Xilinx不吝公布16nm的下一代产品。Xilinx公司全球高级副总裁兼亚太区执行总裁汤立人（下图）称，由于16nm产品太复杂了，不是所有应用都会用到，因此不会对20nm、28nm的产品产生冲击，各种制程的产品会在市场共存，以满足复杂度不同的各种应用。但在过去，从90nm推出到65nm的时候，Xilinx就不去卖90nm了;当40nm出来后，就不推65nm了。

　　猛料1：3D-on-3D

　　16nm的3D-on-3D，即3D晶体管(FinFET)和3D封装，据称是在半导体公司里第一家实现的。

　　其实早在28nm时，Xilinx就已推出了3D封装。汤立人称3D IC受到很多做ASIC仿真的通信大公司的欢迎。

　　Xilinx在20nm时的3D IC实现了400万逻辑单元，共有190亿个晶体管，价格十几万美元，听起来好像贵得吓人，但是如果换成做ASIC，数千万美元才能搞定，而且ASIC不能修改，风险非常大。

　　3D-on-3D的好处是集成度和成本。集成度提高不言而喻。从成本来说，Xilinx可以做到更低的系统成本，做3D IC要比单芯片的3D便宜非常多。

　　FinFET主要靠台积电的工艺搞定。

　　3D封装最大的挑战是散热，尤其是中间那层的散热问题。市面上大部分3D堆叠封装产品是存储器，因为存储器不是经常存取的，耗能较少。但是FPGA/SoC由于要做运算，能耗较大。Xilinx的做法是，上下层是有效电路，这是晶体管要跑的，有功耗的，中间是金属介质层，主要用于连接信号，没有晶体管，因此就没有耗电和热的问题。(笔者注：由于中间层没有晶体管，业界也有人认为这是2.5D封装)。

　　猛料2：软件成为UltraScale+的重要部分

　　UltraScale+有Virtex，Kintex和Zynq。工艺方面主要是3D-on-3D。

　　图 UltraScale+产品组合及价值

　　此时，Xilinx更强调了Vivado和SDx(软件定义的系列工具)软件工具的作用。因为Xilinx的CEO Moshe Gavrielov过去是著名的EDA(电子设计自动化)公司——Cadence的副总，他改变了Xilinx的业务模式，想转型成为EDA公司(笔者注：业界一些媒体评论认为)，因为工具是非常重要的，工程师要想成功地设计，应该完全靠工具，和硅芯片没太大关系。理由是：现在FPGA越做越复杂，但主要还是硬件工程师用FPGA，软件工程师做不了FPGA设计。现在大学生很多喜欢做软件工程师，硬件工程师越来越少。所以，Xilinx想要扩大市场，必须花很多功夫来吸引软件工程师。为此，在北京，Xilinx前两年研发了HLS，在某些应用中可以用C语言做FPGA设计。Xilinx也越来越多地提SDx方面的事情。

　　猛料3：UltraScale+使性能功耗比提高2~5倍

　　怎么达到2倍到5倍的系统性能呢?汤立人称，16nm加上3D 封装和FinFET，而且嵌入了很多的存储器(UltraRAM)，还有新一代的智能互联(SmartConnect)。

　　在工艺上，Xilinx与台积电合作，之前台积电有16FF，16FF比Intel、三星的14nm差一点，后来台积电又推出了16FF+，比16FF性能提高15%，在功耗方面降低大概30%，与Intel的14nm工艺相当。

　　一个产品成功与否，不光是看工艺的，与架构关系也很大。Xilinx第一个提出ASIC级的可编程架构UltraScale，16nm时将升级到UltraScale+。

　　猛料4：UltraRAM

　　UltraRAM是最新的存储器技术，是台积电与Xilinx共同开发的。Xilinx认为该技术主要适合视频应用。众所周知，分布式RAM可以达到1000位，Block RAM可以达到数十Mb，如果应用需要比较大的存储器的话，以前在UltraScale+之前，用户需要很多外部存储器，但是当布置大量的外部存储器的时候，很多信号、性能等方面的问题会出现，造成性能降低、功耗提高很多，因为要驱动外部信号。

　　因此Xilinx的UltraScale+中加入了UltraRAM，使容量可以达到432Mb，可以做到深度数据包缓冲、视频缓冲，这非常有用，因为在4K/8K视频应用方面缓存至关重要。

　　在芯片内做RAM的好处是：信号不需要在芯片和芯片之间传输，所以无论在功耗、性能、成本上都会大大提升。

　　猛料5：SmartConnect降低功耗20%

　　另一个与20nm不同的地方在于，Xilinx现在的软件可以根据延迟决定信号放在哪一种互联里。因为Xilinx的产品有不同的互联设计在里面。以前软件没有这么规律地去优化究竟什么信号、block放在互联里面，所以在性能和功耗方面不是最优化的。

　　SmartConnect是Xilinx内部开发的一个工具，可使功耗降低20%左右。

　　猛料6：多处理器MPSoC

　　Xilinx向嵌入式领域进军的代表作是Zynq，有两个ARM Cortex-M9核，已经应用于汽车、医疗、工业等方面。在国内，比如点钞机会用很多这种技术，Zynq，不光是点，还可以验证钱币的真假，因为图像处理功能很强。

　　现在Xilinx推出MPSoC——多处理SoC，即用合适的引擎来做合适的事。通过MPSoC可使性能提高5倍。

　　MPSoC的内容很多，有四核的A53，是64位核心。还有32位双核的实时处理器，有非常多的图形处理器(采用ARM Mail-400M系列)，还有视频编/解码器，因为4K/8K需要编解码。以前是用软的方法来做编解码，现在是用硬的方法来做，性能会提升很多。加上Fabric，UltraRAM，还有混合模拟信号。

　　在这么多内容在里面，功耗很重要。如果不需要用所有功能，MPSoC可以将部分的电源功耗降低或者关闭。另外，要做到保密、安全、可靠。

　　16nm的应用展望

　　在无线方面，在4G/LTE方面Xilinx做得非常成功。接下来的16nm将做LTE-A，5G也快来了。在国内很大的一家客户已经在用20nm芯片了，他们也准备要用16nm做LTE-A。

　　4K/8K视频需要很多缓冲方面的技术，现在20nm可能实现得不够好。在数据中心，也可以有非常多的应用。在物联网方面也是，机器到机器，所以在FPGA的应用非常非常多，OTN等方面。

　　Xilinx在通信方面，占了一大半的市场份额，其实Xilinx一大半都是在通信以外的应用，在汽车、医疗、工业、通信等方面，Xilinx一直会扩张。

　　出货时间表

　　预计今年第二季度会推出16nm首款流片，提供给早期介入的客户。2015年第四季度会有样片。如果要量产的话还需要两年左右的时间。

　　小结

　　Xilinx的16nm产品推出了一系列组合拳，逻辑、处理、存储、模拟，高集成、低功耗，功能可谓强大。不仅如此，Xilinx还希望通过软件工具来吸引更多的软件人员，以达到这样的境界：只管用工具来设计，至于是神马芯片并不重要。