電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：本文就可編程邏輯廠商阿爾特拉（Altera）公司首次公開的20nm創(chuàng)新技術(shù)展開調(diào)查以及深入的分析；深入闡述了FPGA邁向20nm工藝，Altera憑借其異構(gòu)3D IC、高速收發(fā)器和高運(yùn)算性能的DSP三大創(chuàng)新技術(shù)在PLD市場的表現(xiàn)，以及向高性能化和低功耗化發(fā)展之道。

　　在工業(yè)設(shè)備及精密儀器等產(chǎn)品中，配備超尖端半導(dǎo)體的趨勢日益明顯。其原因在于，適于多品種少量型產(chǎn)品的 FPGA（Field Programmable Gate Array）技術(shù)進(jìn)步突飛猛進(jìn)。FPGA是指電子產(chǎn)品設(shè)計人員可在開發(fā)現(xiàn)場靈活變更電路構(gòu)造的半導(dǎo)體。在該領(lǐng)域，美國賽靈思（Xilinx）和美國阿爾特拉（Altera）兩大廠商合計占有80％左右的市場份額，處于基本被兩公司壟斷的狀態(tài)。

　　從第二季度（2012年4～6月）兩大廠商的銷售額營業(yè)利潤率來看，賽靈思（Xilinx）約為28％，阿爾特拉（Altera）約為34％，勢頭極好。

　　FPGA之所以可輕松用于多品種少量型產(chǎn)品，其原因在于用來實(shí)現(xiàn)所需功能的開發(fā)費(fèi)用非常低（圖1）。因此，在難有龐大數(shù)量的社會基礎(chǔ)設(shè)施類通信設(shè)備、廣播設(shè)備及高性能計算機(jī)等領(lǐng)域均得到廣泛使用。這些產(chǎn)品隨著移動計算的發(fā)展以及處理高精細(xì)影像的應(yīng)用增加，越來越需要高處理性能。而另一方面，從節(jié)能觀點(diǎn)來看，也不允許功耗增大。

　　圖1：適于多品種少量型產(chǎn)品的FPGA

　　圖中藍(lán)色區(qū)域為FPGA的擅長區(qū)域。FPGA原來用于產(chǎn)品價格高且供貨量少的用途，但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的微細(xì)化，其范圍正慢慢向產(chǎn)品價格低且供貨量大的用途擴(kuò)展。本圖《日經(jīng)制造》根據(jù)阿爾特拉的數(shù)據(jù)制成。

　　意識到這些問題后，F(xiàn)PGA供應(yīng)商開始競相推進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的微細(xì)化，并以更低的功耗來實(shí)現(xiàn)比老產(chǎn)品更高的性能。目前，在市面上的FPGA中最微細(xì)化的是 28nm工藝產(chǎn)品。而阿爾特拉2012年9月在業(yè)內(nèi)率先公開了向FPGA導(dǎo)入相當(dāng)于下一代工藝即20nm工藝的技術(shù)。該公司將目光瞄準(zhǔn)了高性能要求較為強(qiáng)烈的工業(yè)設(shè)備等產(chǎn)品，打算于2013年下半年開始樣品供貨。

　　以40Gbit/秒的速度在芯片間傳輸數(shù)據(jù)

　　阿爾特拉將向20nm工藝FPGA導(dǎo)入約三項新技術(shù)（圖2）。分別為：（1）與印刷基板上的其他芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度與現(xiàn)行的28nm工藝產(chǎn)品相比可提高至約1.5倍的高速收發(fā)器技術(shù)；（2）數(shù)字信號處理性能與28nm工藝產(chǎn)品相比可提高至5倍以上的DSP（專用于數(shù)據(jù)信號處理的微處理器）模塊；（3）將原來在印刷基板上平置的2個以上的半導(dǎo)體集成在簡單的三維封裝內(nèi)的“異構(gòu)3D IC”（3維集成）技術(shù)。

　　圖2：憑借20nm工藝導(dǎo)入三項新技術(shù)

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的微細(xì)化，F(xiàn)PGA開始向高功能化發(fā)展。阿爾特拉將在利用最尖端的20nm工藝制造技術(shù)的產(chǎn)品中導(dǎo)入3項新技術(shù)。

　　（1）20nm工藝產(chǎn)品可將芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度提高至40Gbit/秒。而現(xiàn)行的28nm工藝FPGA為28Gbit/秒。為了實(shí)現(xiàn)高速化，提高了收發(fā)器電路使用的晶體管的性能，同時導(dǎo)入了根據(jù)在芯片間交換的信號的波形來修正信號，改善信號干擾及衰減程度的電路技術(shù)。

　　此次發(fā)布的40Gbit/秒的芯片間傳輸技術(shù)與原來一樣用電作為信號傳輸介質(zhì)。不過，阿爾特拉高級副總裁、首席技術(shù)官M(fèi)isha Burich表示：“今后要想超過50Gbit/秒的話，可能需要在芯片間使用光”。

　　（2）將配備浮點(diǎn)運(yùn)算性能達(dá)到5TFLOPS以下的可變精度DSP模塊。為了提高性能，將原來用軟件實(shí)現(xiàn)的DSP的部分運(yùn)算處理改為了硬件操作。

　　首次導(dǎo)入三維集成技術(shù)

　　（3）異構(gòu)三維IC可以說是此次20nm工藝FPGA技術(shù)的亮點(diǎn)。“可在削減系統(tǒng)功耗、板卡空間及系統(tǒng)成本的同時，使系統(tǒng)性能得到飛躍性提高”（引自阿爾特拉的Misha Burich）。該技術(shù)將原來離開大面積印刷基板上方、以平置方式配置的芯片等與FPGA集成到同一封裝中（如圖3）。

　　圖3：憑借異構(gòu)3D IC技術(shù)大幅提高系統(tǒng)性能

　　阿爾特拉將從20nm工藝產(chǎn)品開始導(dǎo)入的異構(gòu)3D IC技術(shù)將該公司的FPGA與以前外置的芯片集成在同一封裝中。這樣便有望使系統(tǒng)性能及系統(tǒng)功耗等得到改善。

　　通過將各個芯片收放到同一半導(dǎo)體封裝中，不僅可使芯片間的布線距離縮短，而且還可大大增加芯片間的布線根數(shù)。這樣便可大幅提高芯片間的數(shù)據(jù)傳輸速度（系統(tǒng)性能）。而之所以能夠降低系統(tǒng)功耗，則是因為芯片間布線距離縮短及接口布線電容減少等原因。

　　在異構(gòu)3D IC方面，阿爾特拉正在考慮將20nm工藝FPGA，與存儲器或光模塊或HardCopy ASIC或第三方ASIC（Application Specific Integrated Circuit）等集成到同一封裝中。

　　電子發(fā)燒友網(wǎng)編輯評論

　　Altera此次公布的FPGA 20nm相關(guān)創(chuàng)新技術(shù)，不僅為其在FPGA市場奠定了雄厚的基礎(chǔ)，也加速了整個PLD產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。作為Altera老對手的Xilinx固然不會無動于衷，F(xiàn)PGA雙雄是否會繼續(xù)“劍拔弩張”？不管如何，未來的FPGA市場必然是精彩無限，充滿著競爭和發(fā)展。FPGA 20nm工藝或許也將為我們揭開FPGA廠商創(chuàng)新發(fā)展、追求更低功耗、更高性能的帷幕。

　　想要知道，20nm FPGA戰(zhàn)場上，Altera和Xilinx的戰(zhàn)況展示出何種態(tài)勢，敬請繼續(xù)瀏覽電子發(fā)燒友網(wǎng)【 清算Xilinx與Altera“流水賬”，不只是角逐戰(zhàn)？ 】相關(guān)報道。同時也歡迎各位網(wǎng)友積極參與預(yù)測！

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