9月20日， Altera公司資深副總裁兼首席技術(shù)官博思卓(Misha Burich)博士繼今年五月后又一次來(lái)到中國(guó)，公開(kāi)了Altera在下一代20 nm產(chǎn)品中規(guī)劃的幾項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)：40-Gbps芯片至芯片及28-Gbps背板收發(fā)器；具有混合系統(tǒng)架構(gòu)接口的3D異構(gòu)IC；下一代精度可調(diào)DSP模塊，Altera將在不突破客戶對(duì)功耗瓶頸的需求下盡可能提高產(chǎn)品性能。
Misha博士形象地講解Altera的3D技術(shù)
40-Gbps芯片至芯片及28-Gbps背板收發(fā)器
芯片到芯片互聯(lián)的能力，相對(duì)于背板光互聯(lián)的應(yīng)用，差不多相差一代。在收發(fā)器領(lǐng)域，Altera一直占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
在28nm FPGA中，Altera收發(fā)器技術(shù)主要遵循CEI-10G標(biāo)準(zhǔn)， FPGA提供的背板速度和芯片到芯片互聯(lián)的速度是28Gbps，存儲(chǔ)器支持DDR3。Misha博士博士告訴筆者：在20nm FPGA ，Altera將遵循CEI-25G背板規(guī)范，采用自適應(yīng)、預(yù)加重等專(zhuān)門(mén)的電路做補(bǔ)償，擴(kuò)展背板收發(fā)器能力到28-Gbps；芯片到芯片、芯片到光模塊將遵循CEI-40G、CEI-56G規(guī)范，互聯(lián)能力會(huì)提高到40Gbps；還會(huì)提供DDR4，以及HMC混合立體存儲(chǔ)器接口的規(guī)范。
而且，在20nm產(chǎn)品中，收發(fā)器會(huì)與FPGA的主體部分單片集成，以可以提供更好的信號(hào)完整性，如抖動(dòng)和串?dāng)_，并簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
下一代精度可調(diào)DSP體系結(jié)構(gòu)
Altera的可變精度DSP模塊，提高了性能，支持IEEE754浮點(diǎn)運(yùn)算的標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于目前的28-nm器件，DSP性能提高到5倍，達(dá)到5T的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，相當(dāng)于1G赫茲的能力。浮點(diǎn)處理能力主要應(yīng)用在無(wú)線系統(tǒng)、雷達(dá)、廣播等領(lǐng)域。
具有混合系統(tǒng)架構(gòu)接口的3D異構(gòu)IC
這是筆者最關(guān)心的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。因?yàn)樗麄兊睦蠈?duì)手Xilinx在28nm高端FPGA中已經(jīng)采用了2.5D技術(shù)。
Xilinx把四個(gè)FPGA Slice并排在一起，提高FPGA的密度。
Altera在20nm產(chǎn)品中可將FPGA、光模塊、HardCopy ASIC、第三方ASIC、存儲(chǔ)器和光模塊的不同硅片放在同一硅襯底上，實(shí)現(xiàn)多種功能的組合。客戶可根據(jù)需要定制。
3D技術(shù)的應(yīng)力和散熱問(wèn)題，半導(dǎo)體行業(yè)還沒(méi)有真正的解決辦法。很明顯，兩家都是采用業(yè)內(nèi)所稱(chēng)的2.5D技術(shù)，但策略完全不同。
Altera為什么采用如此策略？Misha博士用英特爾研究機(jī)構(gòu)發(fā)表的一張圖做了詳細(xì)說(shuō)明。
在橫坐標(biāo)X軸上表示不同的處理模塊，如微處理器、DSP模塊等；縱坐標(biāo)是功效衡量， 每毫瓦的處理能力。如上圖所示，微處理器的靈活性是最高的，但功耗也是最高的， 每毫瓦的處理能力相比最低；DSP的功效比微處理器效率更高，但靈活性差一些；而對(duì)于硬的IP，或者硬件模塊，其每毫瓦的處理能力是最高的。Misha博士說(shuō)：“對(duì)于一些特別的應(yīng)用，如H.264非常適合于硬件實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到很高的效率。”
Altera的下一代混合系統(tǒng)架構(gòu)器件結(jié)合了微處理器、DSP、FPGA、ASSP和ASIC等半導(dǎo)體器件，系統(tǒng)集成度提高了10倍，降低了系統(tǒng)功耗，減小了電路板面積，降低了系統(tǒng)成本。
其實(shí)，硅片融合技術(shù)，Altera已經(jīng)延用了很多年。在130nm工藝時(shí)，Altera嵌入了內(nèi)嵌的內(nèi)存以及DSP模塊；在2004年，90nm FPGA嵌入了硬的收發(fā)器，速度是3Gbps；在2006年，65nm FPGA嵌入了硬的內(nèi)存控制器和硬的電源控制模塊；在2008年，40nm FPGA嵌入與協(xié)議相關(guān)的硬IP，如硬的PCIe；在28nm FPGA嵌入了硬的處理器，同時(shí)有可變精度的DSP模塊。
Misha博士透露：在28nm高端FPGA中， FPGA內(nèi)核只占硅片面積的40%，60%的硅片面積主要用于DSP模塊、存儲(chǔ)器、收發(fā)器等硬的功能模塊。在20nm FPGA中，Altera將延續(xù)這種的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混合系統(tǒng)架構(gòu)的IC。
對(duì)于Xilinx采用的2.5D技術(shù)，Misha博士也做了評(píng)價(jià)。將4個(gè)小的FPGA Slice放到同一個(gè)硅襯底上，得到更大密度的FPGA，目的是為了提高產(chǎn)品的良率。首先生產(chǎn)小的die，做測(cè)試，選擇好的合在一起，通過(guò)這種方式可以把良率做小的提升。
但Misha博士認(rèn)為這種方式在可生產(chǎn)性方面、成本方面是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。一塊FPGA賣(mài)上萬(wàn)美金，這不是量產(chǎn)可承受的價(jià)格。
對(duì)于如何提高產(chǎn)品的良率，Altera早在八年前就使用了設(shè)計(jì)冗余技術(shù)，冗余單元大概占硅片的5%。Altera在FPGA硅片中，會(huì)構(gòu)建額外的邏輯，如DSP和內(nèi)存，當(dāng)在線上檢測(cè)到部分邏輯，如DSP或Memory失效后，會(huì)用激光把失效的這部分隔開(kāi)，可以極大地提高芯片的良率。這對(duì)大密度的芯片特別有效。
Misha博士對(duì)Altera提供的HardCopy ASIC技術(shù)十分自豪，他認(rèn)為HardCopy ASIC可以讓客戶降低成本。客戶可以先以FPGA發(fā)貨，測(cè)試市場(chǎng)；最終把FPGA設(shè)計(jì)固化，用HardCopy ASIC發(fā)貨，這樣可以做到成本最低。
Misha博士說(shuō)：“Altera未來(lái)提供FPGA+HardCopy ASIC，既可以提供低的成本，同時(shí)還可以保持靈活性，這是做3D堆疊的最大好處。”
Misha博士最后對(duì)合作多年的TSMC表示感謝，認(rèn)為T(mén)SMC的20nm工藝創(chuàng)新是Altera創(chuàng)新的基礎(chǔ)。在Altera下一代產(chǎn)品中，收發(fā)器創(chuàng)新可以提高兩倍的帶寬；，新一代的浮點(diǎn)可變精度的DSP模塊，可以提供5倍的數(shù)字信號(hào)處理能力；3D封裝技術(shù)，可以提供10倍的系統(tǒng)集成能力，并且使整體功耗降低60%。