赛灵思28nm 7系列FPGA加速取代ASIC！

作者：张国斌

如果把FPGA与ASIC之间的竞争看成一场战斗，那么目前这场战斗正从远观、叫阵、近战发展到它的最后阶段――肉搏！6月22日，赛灵思基于统一架构的28nm 7系列FPGA闪亮登场，本次发布的FPGA新品最大的亮点是功耗大幅度降低，同时性能、容量大幅提升！“7系列最大的目标是降低功耗！整个系列功耗降低50％！”在新闻发布会上，赛灵思公司质量管理和新产品导入全球高级副总裁亚太区执行总裁汤立人(Vincent Tong) 指出，“同时容量大大提升，高达200万个逻辑单元！除了取代高端ASIC，7系列FPGA还将瞄准更多新兴应用。”

一、不再回避功耗、尺寸敏感话题

和以前FPGA叫板ASIC的策略不同，这次赛灵思不再强调FPGA的灵活性了（或许大家早认同这个优势了），这次赛灵思选择了很多FPGA供应商想回避的话题的同时也是很多ASIC厂商总拎来打击FPGA的两个特性：功耗和尺寸。

“预计40nm FPGA市场到2014年的规模可以达到70亿美元，而那时ASIC/ASSP的规模会是600亿美元，如果FPGA要扩大规模，就必须有更低的成本（更高的性价比）、更高的系统性能、更大的容量和更低的功耗，我们认为这其中最主要的关键是降低功耗！” 汤立人指出，“我们此次推出的7系列28nm FPGA系列，在系统性能上翻番，同时容量扩大两倍，功耗降低一半，我们预计28nm 7系列FPGA可以将FPGA市场规模扩大到110亿美元！”

这是新推出的3大系列产品，这三大系列产品都采用了统一架构，这个架构基于先前赛灵思高端Virtex系列架构，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。

很多人担心此次推出的ARTIX系列会影响以前推出的Spartan系列FPGA，对此，赛灵思公司亚太区市场及应用总监张宇清指出：“从过往的经验看，每次新一代的产品推出对以往的产品影响并不大，例如spartan－6推出后，S3/S3A的销量还是很大，V6推出后，并不影响V5的需求，所以7系列的推出与对赛灵思6系列影响不大，另外，虽然7系列中不再有spartan架构产品，但是赛灵思会继续生产S6等spartan架构产品，S6和Artix系列的密度不同，所以S6会继续服务很多小密度应用的领域。”

ARTIX系列将会瞄准很多高性能ASIC/ASSP应用的领域，例如便携式医疗超声设备、高端数码相机等等，“中国现在实行医疗改革计划，很多县、乡医疗所需要便携式、操作方便的超声、诊断设备，这将是ARTIX系列瞄准的一个主要应用。”汤立人指出，“目前高级数码相机日益流行此外，预计到2010年数码相机的销售量达到1.5亿台，其中数码单反相机将占上述相机总数的10%，其需求主要表现为避免IC过时、高精度电机控制、低功耗
焊线封装、零售价低于10美元等等，这个市场的数量并不是很大，因此成为ARTIX系列另一个应用主战场，将给FPGA带来7,500万~15,000万美元的巨大商机，目前已经有高端单反相机采用了赛灵思的FPGA产品。”

下图显示高端单反相机应用中用单个Artix-7 FPGA可代替9 个ASSP，可显著降低成本、功耗和尺寸。

Kintex-7系列以Virtex-6 FPGA 一半的成本和功耗提供了与其相当的性能，所以具备很高的性价比，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，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%。其瞄准的应用为无线基础设备市场以及一些新兴市场如3D TV市场，它可以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。“未来我们家庭中会有很多毫微蜂窝基站，Kintex-7 FPGA 将会大量应用。”张宇清表示。

下图显示在2发2收无线LTE基站应用中，采用基于Kintex-7 FPGA 方案可以将原来基于virtex－6方案功耗降低48％！

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%，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。

汤立人指出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。

下图显示Virtex-7 FPGA 在有线通信桥接应用中，其I/O带宽比相应的ASIC产品提高30％！但是功耗却相当！此外，系统成本可以降低15％！这对于很多系统开发人员来说相当有诱惑力。

二、7系列FPGA的开发与移植

赛灵思7系列FPGA采用统一架构的目的就是让开发人员的方案可以轻松移植，例如采用Aritex－7的毫微蜂窝基站可以轻松升级到2×2远程无线基站应用或者设计到更高端采用Virtex－7的8×8无线基站，在具体开发中，依旧利用赛灵思提出的目标设计平台可以轻松完成开发。“7系列FPGA成为目标设计平台的一个基础平台，利用赛灵思提供个ISE设计套件、参考设计和IP可以轻松完成设计。”张宇清表示，“另外，开发人员还可以使用AXI IP生态系统，就是把ARM生态系统中的IP应用到7系列中来。”

“以前赛灵思采用spartan和virtex两个系列产品，当用户要升级的时候需要重新开发一套IP来，这样就增加了开发工作量，我们在对用户需求做调查后发现，很多用户对统一架构持积极的赞成态度，这样，实际可以帮助客户节省了大量的IP开发时间。”汤立人补充道。

从目前的趋势来看，随着微电子技术的发展，半导体硬件成本不断下降，性能却不断提升，系统开发人员需要从软件入手提升产品差异性，如果能节省大量基础性软件开发工作，让开发人员将更多精力用于差异性开发则会大大提升开发效率，统一架构FPGA的出现无疑符合了这一需求。

三、7系列FPGA低功耗技术揭秘
7系列FPGA如何实现了功耗的大幅度降低？显然，单单提升工艺技术难以实现这么大幅度的降低，汤立人也分享了7系列FPGA低功耗的几个小秘密，总结起来，赛灵思采用8大技术降低功耗。
1、采用赛灵思和台积电共同开发的高性能低功耗金属栅极工艺HLPMG工艺
2、存储器配置电压从2.5V下降到1.8V；
3、晶体管优化降低动态功耗
4、采用优化的硬模块
5、降低I/O功耗
6、内核电压降低到1V以下，可用0.9V供电
7、软件配置中采用智能时钟门控技术，可以降低20％的功耗；
8、采用第5代可重配置技术，实现FPGA的动态配置降低功耗
基于这些技术，可以将28nm FPGA的功耗降低50％！

“从另一个角度来看，如果你的设计功耗可以维持不变，则你可以在同等功耗预算的前提下使用两个7系列的FPGA。”汤立人指出，“这有点类似PC处理器中的多核概念－－在同样功耗预算下有更多FPGA可以使用，使你的性能提升很多，由于FPGA是天生并行处理器件，这样下来性能的提升不仅仅成倍的了。”

供货情况

支持7 系列FPGA 的早期试用ISE 设计套件软件现已开始供货。首批产品将于2011 年第一季度推出。如欲了解更多信息，欢迎访问以下网址：www.xilinx.com/cn/7。

关于赛灵思（Xilinx）公司

赛灵思公司（Xilinx, Inc. (NASDAQ: XLNX)）是全球可编程平台领导厂商。欲了解有关赛灵思公司的更多信息，请访问公司网站http://www.xilinx.com/cn。

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