FPGA迈入新阶段 Altera 20nm混合系统的三大创新

大约在近半年前，Altera公司CTO Misha Burich先生曾向业内媒体介绍了FPGA体系架构的演进，以及FPGA走向硅片融合的发展大趋势。所谓硅片融合，指的是业内各种不同架构的核集成于同一硅片或平台上的发展趋势，如将MCU、DSP和FPGA这几种不同架构的核集成在一个芯片上，这成为业界和FPGA行业的发展的大趋势，这是市场发展的客观需求，也已经成为整个业界的共识。2012年9月末，Misha Burich再次向业界公布了Altera 公司如何将硅片融合这一趋势落实到真正的产品上的创新技术，并展望了未来更先进工艺技术的发展趋势。

Altera将在其20nm的产品上实现对于FPGA硅片融合的创新技术。在20nm的平台上，Altera将向客户提供一个终极系统集成平台，一个混合系统架构，结合了FPGA的硬件可编程功能、数字信号处理器和微处理器的软件灵活性，以及面向应用的硬核知识产权(IP)的高效。Altera在20nm的体系结构、软件和工艺的创新，能支持更强大的混合系统架构的开发，带来性能、带宽、集成度和功效的新的提升。

Altera的20nm混合系统架构的三大创新技术是：40Gbps收发器技术、下一代精度可调数字信号处理(DSP)模块体系结构，以及异质混合3D IC技术。

40Gbps芯片至芯片和28Gbps背板收发器

Altera 20nm收发器技术创新可将带宽提升两倍，支持向100G背板和400G系统的发展。20nm器件包括驱动CEI-25G-LR和以太网4x25G背板的28Gbps收发器，面向芯片至芯片或者芯片至光模块连接而设计的40Gbps收发器。Altera在20nm实现的收发器技术创新成为开发兼容CEI-56G收发器的基础，为驱动下一代400G光网络、400G线路卡等提供连接能力。

具有高速芯片至芯片接口的异质混合3D IC

在20nm，Altera将引入创新的高速芯片至芯片接口，用于在一个3D封装中集成多个管芯。采用这一创新接口，Altera能够交付面向客户的异质混合3D系统，该系统可集成FPGA和用户定制的HardCopy ASIC，或者包括存储器、第三方ASIC和光接口等各种其他技术。借助FPGA、HardCopy ASIC或者第三方ASIC的集成，Altera能够提供10倍于28nm产品系统集成度的单器件解决方案。Altera的异质混合3D IC将采用TSMC的的芯片-晶圆-基底 (CoWoS) 集成工艺进行制造。利用这些器件，开发人员可大幅度提高系统集成度和系统性能以突出产品优势，同时还可以降低系统功耗60%，减小了电路板空间，并降低系统成本。

下一代精度可调的浮点DSP模块

Altera在20nm器件刷新了业界的TFLOP/W基准。下一代精度可调DSP模块增强技术实现了5 TFLOP(每秒5万亿次浮点运算)的IEEE 754标准浮点运算性能。在此性能水平上，Altera 20nm器件的每瓦TFLOP要比目前的28nm产品高5倍。结合了OpenCL C设计流程、ARM硬核处理器子系统以及TFLOP/W的硅片效率，Altera的20nm器件提供了终极异质混合计算平台。

异质混合20nm系统的开发离不开全功能高级设计环境，这一设计环境包括系统集成工具(Qsys)、基于C的设计工具(OpenCL™)以及DSP开发软件(DSP Builder)。好的设计环境有助于实现更快的编译时间，从而提高设计人员的效能。

3D异构封装技术的未来

Misha Burich还指出，以上谈到的3D异构封装技术并不是真正意义上的3D封装，只能算是2.5D。真正的3D封装应该是以堆叠形式的多核的封装，目前的3D封装技术只适合存储器这样的标准的功耗低的器件，而MCU、DSP和FPGA这样功耗比较大的器件，目前只能通过2.5D的形式进行集成。3D技术目前面临最大障碍就是散热的问题，展望未来技术发展的趋势，Misha Burich指出，一个新技术是在多个硅片间引入导管，导管中充满液体，以帮助散热，该技术仍处于早期的研究阶段;另一项新技术就是特殊材料的研究和发现，必须是具备超强的导热能力的新材料。3D封装技术真正实现以后，计算能力将得到极大提升，将对产业的发展起到巨大的推动作用，许多新兴应用如云计算、物联网等将获益匪浅。

摩尔定律的未来

摩尔定律发展到今天的20nm，已经让人们叹为观止了。很难想象将来的半导体制造工艺还会走多远。Misha Burich指出，按照摩尔定律，每3到4年，半导体工艺将更新一代。半导体制造工艺的发展规划是从20nm到14nm，从14nm到10nm，10nm到7nm，7nm到5nm。之后，摩尔定律将不再有效，人们只有等待科技人员发现或研发出崭新的材料去取代硅，才能够获得突破。

图1 Altera公司CTO Misha Burich

图2 Altera的20nm混合系统平台