Altera 20nm技术的五大挑战三大突破

近期，Altera发布其下一代20nm产品中规划的几项关键创新技术，延续在硅片融合上的承诺，Altera向客户提供终极系统集成平台，以结合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。在攻克20nm技术上，面临了哪些技术挑战，又实现了怎样的突破，FPGA今后的发展方向如何，就业界普遍关注的问题，记者采访了Altera公司首席技术官Misha Burich博士。

克服五大挑战

谈到技术挑战，Altera公司首席技术官Misha Burich博士说道：“从工艺技术来讲，每一个节点都会存在一些挑战。”20nm与28nm相比，他指出主要存在以下几个方面的挑战：

一是在早期电路模拟上。在设计初期，需要遵循一些设计规则，而且要非常了解晶体管的特性，根据不同电压和电流的特性，进行早期电路上的模拟。在20nm工艺节点上，需要更多的工艺步骤。

FPGA如今可集成非常多的功能，如I/O、收发器、DSP、存储器等，对整个系统的集成能力要求非常高，每一种线路的特性也都不一样，所以在早期需要大量的模型把线路模拟出来。

二是功耗方面的挑战。把诸多器件集成在一起，将功耗保持在低水平上是非常大的挑战。现在，20nm最大的芯片上有60亿个晶体管，28nm时只有40亿～50亿个晶体管。Altera的20nm技术在功耗管理方面实现了创新，包括自适应电压调整、可编程功耗技术以及工艺技术优化等，使得Altera器件功耗比前一代降低了60%。

三是架构设计上的挑战。对于创新功能，在整个架构设计中需要非常小心的处理。20nm里有一些新挑战，比如精度可调方面的DSP浮点运算器、收发器、3D技术等等。

四是来自可靠性方面的挑战。Altera服务的客户群是长期的，可能长达10年或20年。这样在产品的可靠性上就是一个比较大的挑战，需要详细调试在不同应用环境下的不同电压和不同温度。

五是项目管理上的挑战。团队规模的要求非常高，Altera在攻克20nm工艺上的团队有800多位工程师，他们来自不同的背景，有工艺技术方面的专家、IC设计工程师、架构工程师和EDA软件工程师等，将一个大的团队有效地无缝衔接，同时是在研发时间上也比较紧的情况下，这是非常大的挑战。

实现三大突破

在克服了五大挑战之后，Altera的20nm技术上还实现了三大突破，分别是：串行带宽提高了2倍以上，系统集成度提高了10倍，DSP性能提高了5倍。

Misha Burich博士指出，在提高串行带宽方面，Altera 20nm收发器将实现业界最大串行带宽，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4×25G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。

在系统集成方面，Altera将引入创新的高速芯片至芯片接口，在一个3D封装中集成多个管芯。Misha Burich博士说道：“目前真正意义上是2.5D，3D是Altera一个长远的部署，我们将分而治之。”

借助FPGA、HardCopy ASIC或者第三方ASIC的集成，Altera能够提供10倍于任何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，减小电路板空间，并降低系统成本。

在DSP性能方面，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)的单精度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要比当前的高5倍。结合了最具效能的OpenCL C设计流程、ARM硬核处理器子系统以及最高的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。

软硬兼顾实现硅片融合

“虽然FPGA演进不断加快，但当前，业界普遍面临的挑战是：系统性能不断提高，而功耗要保持原有水平或者比原来更低。同时又面临着两难的问题：灵活性和效率的问题。”Misha Burich博士进一步指出。

Altera下一代器件采用TSMC的20nm工艺技术和业界最高的系统集成度，并包括ARM处理器子系统。20nm片上系统(SoC)FPGA为客户提供了从28nm到20nm的软件移植途径，同时将处理器子系统的性能提高了50%。

“除了注重硬件的提升，我们也非常关注软件，在软件上也将实现融合。我们会不断投放资源开发软件开发环境。Altera目前的研究团队在关注基于C的设计工具(OpenCLTM)这样一个更高层次的语言，从而实现一些复杂的运算。”Misha Burich博士说道。

20nm系统的开发通过全功能高级设计环境得以实现，这一设计环境包括系统集成工具(Qsys)、基于C的设计工具(OpenCLTM)以及DSP开发软件(DSP Builder)。Altera将持续关注通过增强其开发工具以在20nm上进一步缩短编译时间，来提高设计人员的效能。

Misha Burich博士进一步指出：“这些都是内部开发的流程和关注点，更重要的是如何将这些技术转移到客户那里，使客户能够更有效地使用，这是一项非常重要的内容。在全球每一个重要的市场，我们都有一个非常大的团队进行这样的工作，从而给客户提供技术创新和应用。”

Altera目前正在与客户沟通20nm产品，并与客户共同讨论产品的发展路线。Misha Burich提道：“不久我们会发布相关的20nm产品。”

当前Altera最大的资源投入是如何将20nm技术实现到产品上来。另外，其开发团队也在关注14nm的工艺节点。在收发器上面，Altera也正在关注如何在光连接上实现50Gbps的速率，还有如何在2.5D和3D垂直集成上更有效地更好地发展。在功耗上，关注如何在越来越复杂的应用环境上将功耗保持在低水平。

“在摩尔定律下，每一代产品的功能性和密度都会翻倍地增长，我们会沿着这个发展路径演进，从而实现更多地集成，把周围的处理器、存储器都融合到一个芯片上面，实现硅片融合。我们可以看到，硅片融合的时代正在来临。”Misha Burich博士十分肯定地说道。

更高层次集成是方向

ALTERA 2.5D技术最重要的集成方向，就是把异构的器件集成到FPGA上，即“FPGA+存储器”。Misha Burich博士进一步讲道：“我们根据收集的客户信息发现，客户的兴趣就是想把存储器集成在一起。我们现在的构思是准备将DRAM等存储器集成起来。另一个客户感兴趣的应用方向是在服务器上面，客户希望把第三方的处理器集成到FPGA上，比如X86处理器等，目前市场上有这样的需求。所以，我们会根据客户的需求实现相应的技术。”

他说：“在用户的应用开发环境上，我们的构思是将来会与现在差不多，今后客户能利用的资源更多也更容易，我们会尽力把流程越来越简化，让用户更易操作。”

从目前来看，下一代通信、网络、广播和计算应用在扩展带宽、提高性能以及降低功耗方面面临越来越大的需求。具体来讲，在高速、高功能的网络需求上，路由器对速度、功能要求非常高，无线基架也需要大量的数据，对低功耗要求也非常高，以及高速运算的计算机等，这些应用最先需要高新技术。随后，在广播方面，高功能的摄像设备也会用到。广播上面主要是对存储器容量的要求越来越高，比如：高清和更高清等功能。在计算机领域，比如：医疗设备的清晰度和精度计算、石油/天然气开发等，也需要“处理器+FPGA”的架构。

硅片融合推动下一代器件的发展，使微处理器DSP、FPGA、ASSP和ASIC集成到一个器件中的关键点上。

Misha Burich强调，这些都是Altera一直关注的地方，他们正在把产品朝这个方向上提升，力争推出更好的产品，使越来越多的功能在FPGA上实现。