原创 赛灵思异构3D技术详解

继Virtex-7 2000T之后，赛灵思日前又推出一款7系列的高端器件Virtex-7 H580T，这是全球首款异构3D FPGA，该技术是在堆叠硅片互联(SSI)技术的基础上，对FPGA和28Gbps收发器的整合方式进行了创新。赛灵思亚太区市场及销售副总裁杨飞表示，从处理器到数模混合再到IP资源的整合，赛灵思提供的已经不仅仅是FPGA器件，而是AllProgrammable的平台。 从性能上看，Virtex-7 HT系列是业界带宽最高的 FPGA，最多可提供16个28Gbps收发器和72个13Gbps收发器，也是唯一能满足关键Nx100G和400G线路卡应用功能要求的单芯片方案。首先供货的Virtex-7 H580T拥有8个28Gbps收发器,该器件结合了赛灵思先进的100G变速机制(gearbox)、以太网 MAC、OTN和Interlaken IP，可为客户提供不同的系统集成，从而满足他们在向CFP2光学模块转型时对密度、功耗和成本的要求。 那么，Virtex-7 H580T和Virtex-7 2000T究竟有哪些不同呢？杨飞表示，同样是3D工艺器件，Virtex-7 2000T是将4片28nm FPGA管芯堆叠，从而搭建出68亿个晶体管200万门规模的强大器件。在Virtex-7 2000T中，高速串行收发器与FPGA是同在一个28nm的die上，而28Gbps收发器在40nm工艺上表现甚佳，所以目前最理想的做法是采用40nm的28Gbps收发器。Virtex-7 HT器件就是将3片28nm FPGA管芯(内置72个13Gbps收发器)和16个40nm的28Gbps收发器(共2片，每片8个置于FPGA管芯阵列的两侧)进行堆叠互联。从性能上看，Virtex-7 2000T拥有最高的逻辑资源(适用于原型验证、ASIC替代和一些前沿应用的算法实现等)，Virtex-7 H580T则在收发器数量和带宽上具有更高的表现，这也与其产品定位有很大关系。 赛灵思全球高级副总裁兼亚太区执行总裁汤立人表示，模拟工艺并不完全能跟随摩尔定律走，赛灵思的异构3D工艺中，65nm工艺的金属连接层本身是被动组件，可以自由搭配40nm和28nm工艺的数字和模拟器件，降低了集成的难度，避免了散热的难题。“从CFP2光学模块接口要求的抖动特性眼图实测效果看，Virtex-7 H580T表现完美，”汤立人说，“目前市面上还未见有同样性能的器件，有号称可提供4个28Gbps收发器的FPGA实际是能跑到25Gbps，并且其眼图表现不好。”

Virtex-7 H580T器件采用异构3D结构提供独立于核心FPGA的28 Gbps收发器，保证了整体信号完整性并提升了生产力。

杨飞表示，FPGA和收发器分属数字和模拟的不同工艺，Virtex-7 HT器件的这种异构化设计使赛灵思能够随意选择核心FPGA和28Gbps收发器芯片，这可以减少28nm工艺下，搭载高速收发器的FPGA的漏电问题带来的影响。另外，异构3D的结构，使得28Gbps收发器独立在FPGA外，因而噪声隔离效果卓越，实现了最佳的整体信号完整性和系统余量，并加快了设计收敛，加速产品上市进程。 Virtex-7 HT可以说是为高速和高带宽的通信系统度身定做，如CFP2模块的线卡。杨飞表示，为了升级网络，解决数据用量的几何级增长带来的挑战，通信产业正在改善光学模块的功耗和端口密度，同时还要降低单位比特的成本，由CFP向CFP2以及未来CFP4光学模块发展是产业趋势。Virtex-7 HT是唯一一款能在逻辑容量和I/O速率上同时满足更高处理能力线路卡要求的FPGA单芯片解决方案，能够满足Nx100G和400G线路卡设计的需求，能支持多达4个IEEE 100GE gearbox，而且能在同一FPGA中选择集成高级调试功能、OTN、MAC或Interlaken IP，无需独立的gearbox和ASSP器件。杨飞表示，Virtex-7 H580T能够在单芯片上实现2×100G OTN转发器，与其相比，以ASSP为基础的方案还有一年多才面世，需要5个器件来实现同等功能，而且功耗至少增加40%，成本增加50%，并且没有差异性。此外，将于明年1季度推出的Virtex-7H870T器件已经能够支持400GE(目前唯一的单片方案)16个25Gbps接口的模块。这样就能降低整体功耗和材料成本，而且能够随着协议的不断变化提供更灵活的方案。 虽然赛灵思所使用的台积电的这种3D工艺并非排他性技术，但由于涉及器件电路的重新设计和布局，所以并非简单的移植就可用。汤立人表示，简单来讲，要用SSI技术，必须将管芯之间的互联由原来的I/O口互联(该模式无法满足超大规模器件对效率的要求)，更改为由中间的金属互联层进行(互连效果相当于同一个die，延迟只有1ns)，这涉及到设计方法学和整个产品平台策略的革命，非一朝一夕可以完成。赛灵思从2006年开始导入计划，历经5年时间方才大功告成，这意味着其他公司要想使用该技术研产，面临的挑战十分巨大。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载