Misha博士形象地讲解Altera的3D技术
 

40-Gbps芯片至芯片及28-Gbps背板收发器

 

芯片到芯片互联的能力，相对于背板光互联的应用，差不多相差一代。在收发器领域，Altera一直占据优势。

 

在28nm FPGA中，Altera收发器技术主要遵循CEI-10G标准， FPGA提供的背板速度和芯片到芯片互联的速度是28Gbps，存储器支持DDR3。Misha博士博士告诉笔者：在20nm FPGA ，Altera将遵循CEI-25G背板规范，采用自适应、预加重等专门的电路做补偿，扩展背板收发器能力到28-Gbps；芯片到芯片、芯片到光模块将遵循CEI-40G、CEI-56G规范，互联能力会提高到40Gbps；还会提供DDR4，以及HMC混合立体存储器接口的规范。

而且，在20nm产品中，收发器会与FPGA的主体部分单片集成，以可以提供更好的信号完整性，如抖动和串扰，并简化系统设计。

 

下一代精度可调DSP体系结构

 

Altera的可变精度DSP模块，提高了性能，支持IEEE754浮点运算的标准。相对于目前的28-nm器件，DSP性能提高到5倍，达到5T的浮点运算能力，相当于1G赫兹的能力。浮点处理能力主要应用在无线系统、雷达、广播等领域。

具有混合系统架构接口的3D异构IC

这是笔者最关心的一个创新点。因为他们的老对手Xilinx在28nm高端FPGA中已经采用了2.5D技术。

Xilinx把四个FPGA Slice并排在一起，提高FPGA的密度。

Altera在20nm产品中可将FPGA、光模块、HardCopy ASIC、第三方ASIC、存储器和光模块的不同硅片放在同一硅衬底上，实现多种功能的组合。客户可根据需要定制。

3D技术的应力和散热问题，半导体行业还没有真正的解决办法。很明显，两家都是采用业内所称的2.5D技术，但策略完全不同。

Altera为什么采用如此策略？Misha博士用英特尔研究机构发表的一张图做了详细说明。

 

 

在横坐标X轴上表示不同的处理模块，如微处理器、DSP模块等；纵坐标是功效衡量， 每毫瓦的处理能力。如上图所示，微处理器的灵活性是最高的，但功耗也是最高的， 每毫瓦的处理能力相比最低；DSP的功效比微处理器效率更高，但灵活性差一些；而对于硬的IP，或者硬件模块，其每毫瓦的处理能力是最高的。Misha博士说：“对于一些特别的应用，如H.264非常适合于硬件实现，可以达到很高的效率。”

 

Altera的下一代混合系统架构器件结合了微处理器、DSP、FPGA、ASSP和ASIC等半导体器件，系统集成度提高了10倍，降低了系统功耗，减小了电路板面积，降低了系统成本。

其实，硅片融合技术，Altera已经延用了很多年。在130nm工艺时，Altera嵌入了内嵌的内存以及DSP模块；在2004年，90nm FPGA嵌入了硬的收发器，速度是3Gbps；在2006年，65nm FPGA嵌入了硬的内存控制器和硬的电源控制模块；在2008年，40nm FPGA嵌入与协议相关的硬IP，如硬的PCIe；在28nm FPGA嵌入了硬的处理器，同时有可变精度的DSP模块。

 

 

Misha博士透露：在28nm高端FPGA中， FPGA内核只占硅片面积的40%，60%的硅片面积主要用于DSP模块、存储器、收发器等硬的功能模块。在20nm FPGA中，Altera将延续这种的技术，实现混合系统架构的IC。

 

对于Xilinx采用的2.5D技术，Misha博士也做了评价。将4个小的FPGA Slice放到同一个硅衬底上，得到更大密度的FPGA，目的是为了提高产品的良率。首先生产小的die，做测试，选择好的合在一起，通过这种方式可以把良率做小的提升。
 

但Misha博士认为这种方式在可生产性方面、成本方面是一个很大的挑战。一块FPGA卖上万美金，这不是量产可承受的价格。

 

对于如何提高产品的良率，Altera早在八年前就使用了设计冗余技术，冗余单元大概占硅片的5%。Altera在FPGA硅片中，会构建额外的逻辑，如DSP和内存，当在线上检测到部分逻辑，如DSP或Memory失效后，会用激光把失效的这部分隔开，可以极大地提高芯片的良率。这对大密度的芯片特别有效。

 

Misha博士对Altera提供的HardCopy ASIC技术十分自豪，他认为HardCopy ASIC可以让客户降低成本。客户可以先以FPGA发货，测试市场；最终把FPGA设计固化，用HardCopy ASIC发货，这样可以做到成本最低。

Misha博士说：“Altera未来提供FPGA+HardCopy ASIC，既可以提供低的成本，同时还可以保持灵活性，这是做3D堆叠的最大好处。”

 

Misha博士最后对合作多年的TSMC表示感谢，认为TSMC的20nm工艺创新是Altera创新的基础。在Altera下一代产品中，收发器创新可以提高两倍的带宽；，新一代的浮点可变精度的DSP模块，可以提供5倍的数字信号处理能力；3D封装技术，可以提供10倍的系统集成能力，并且使整体功耗降低60%。