【中文】【Altera第五代28nmFPGA介绍】

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2011 年5 月Altera 公司
WP-01160-1.0 白皮书
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版权© 2011 Altera 公司。保留所有权利。ALTERA、ARRIA、CYCLONE、HARDCOPY、MAX、
MEGACORE、NIOS、QUARTUS 以及STRATIX 均在美国专利和商标事务所进行了注册，是Altera 公司在美
国和其他国家的商标。所有其他商标或者服务标记的所有权属于其各自持有人，
www.altera.com/common/legal.html 对此进行了解释。Altera 保证当前规范下的半导体产品性能与Altera 标
准质保一致，但是保留对产品和服务在没有事先通知时的升级变更权利。除非与Altera 公司的书面条款完全一
致，否则Altera 不承担由此处所述信息、产品或者服务导致的责任。Altera 建议客户在决定购买产品或者服
务，以及确信任何公开信息之前，阅读Altera 最新版的器件规范说明。
101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
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采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗
和成本
本文档介绍Altera 的各种28-nm FPGA 系列器件在多种应用中的功耗和成本优势。这
些系列器件包括Stratix ® V、Cyclone ® V、Arria ® V 和HardCopy ® V 器件。
引言
Altera 的28-nm 器件提供系列产品，能够支持多种应用，从低成本和低功耗应用直至
高端应用。这一全系列产品不仅提供简单的容量和密度选项，而且还为开发人员提供
在价格、性能、功能和功耗上最能满足其设计要求的器件。FPGA 是很多开发团队所选
用的技术，Altera 不断发展FPGA 技术以降低成本和功耗，同时提高性能。Altera 的
通用FPGA 可替代ASIC 和ASSP 作为系统设计的主要元件，是系统CPU 的多功能辅助器
件。
目前的系统应用设计人员面临的需求是进一步提高集成度和性能，同时降低功耗和成
本。按照一步步的发展要求来简单的设计FPGA 可以满足中端应用需求，但是难以达到
高端的性能要求，也可能无法满足低端的成本要求。为满足多种应用的各类需求，
FPGA 必须有跨越式发展。为尽可能满足多种应用需求，Altera 的28-nm 系列产品在以
下领域实现了创新发展：
■ 工艺技术
■ 收发器设计
■ 产品体系结构
■ 系统IP
跨越式发展
Altera 在28-nm 工艺节点开发了多种系列产品，实现了跨越式发展。28-nm 工艺切实
提高了Altera 的FPGA 性能。
更大的电路密度降低了每一功能的成本，而更小的晶体管则降低了功耗。但是与竞争
对手的“通用型”工艺技术不同，Altera 提供两种不同的28-nm 工艺选择。Altera 的
28-nm 高性能(HP) 工艺针对性能进行了优化，而低功耗(LP) 工艺降低了某些功能或者
应用的功耗。
Altera 的28-nm HP 工艺适用于需要高速逻辑的设计。高K 金属门实现的逻辑模块和
DSP 功能要比其他工艺快出近35%。高性能晶体管使用应变硅结构，如图1 所示，沟道
覆盖层在硅片晶格中产生机械应变。这种体系结构特性提高了载流子的移动能力，从
而提高了开关速度，而不会增加泄漏电流。这就实现了总功耗只有200-mW 的28-Gbps
收发器，以尽可能低的功耗实现了最大性能。
可定制晶体管提供多种性能选择第2 页
2011 年5 月Altera 公司采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗和成本
相反，LP 工艺主要面向需要最小器件功耗的应用。LP 工艺使用较长的逻辑门沟道，并
采用其他技术降低了泄漏，减小了动态电流。与HP 工艺相比，LP 工艺还使用更常用的
金属工艺，进一步降低了成本和功耗。结果，LP 工艺比前一工艺节点的功耗降低了
50%。
可定制晶体管提供多种性能选择
Altera 的通用方法还提供性能选择，以定制实现串行收发器。如果I/O 扩展等应用只
需要5-Gbps 收发器，那么，不需要28 Gbps 大规模晶体管那样的功耗和成本。相反，
设计所需要的晶体管能够以最低的功耗和成本满足性能需求即可。
Altera 的28-nm 系列产品引入了模块化收发器，支持设计人员满足实际应用的器件性
能需求。这种收发器设计使用了相同的基本体系结构来产生从3-、6-、10-、14.1- 直
至28-Gbps 工作的多种速率。而且，收发器还支持从几种速率设置中进行动态选择，
以低速率实现低功耗。这种选择功能为降低系统平均功耗提供了一种方法，在空闲时，
收发器工作在最小速率，只在传送时序关键数据时切换到高速工作。
这些收发器支持多种协议，包括，3G SDI、1-, 10- 和100-Gigabit 以太网、光纤通
道、Infiniband ®、Interlaken ®、PCI Express ®、SATA、Serial RapidIO ®和SONET。
f 关于Altera 28-nm 收发器技术的详细信息，请参考白皮书扩展28nm 收发器领先优势。
通用体系结构降低了成本和功耗
Altera 在多方面增强了28-nm 器件的体系结构，以提高通用性，降低功耗。这些增强
措施包括支持智能功耗选择、动态重新配置、精度可调DSP，以及各种存储器协议和
I/O 标准。
图1. 晶体管覆盖层减小了漏电流和功耗
NMOS
PMOS
通用体系结构降低了成本和功耗第3 页
2011 年5 月Altera 公司采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗和成本
对功耗进行控制
智能功耗特性通过控制特定模块中FPGA 的工作，以降低器件平均功耗。为彻底消除不
工作逻辑模块的功耗，设计人员可以使用多个电源平面，以“关断”不需要的每一逻
辑模块。如果电路在即使空闲时也要保持供电状态，那么，可以通过面向模块的时钟
选通功能来降低动态功耗。当某些模块的功能不需要高性能或者可以挂起时，功耗控
制器使用选通功能来降低或者停止这些模块的时钟。
f 如果需要了解详细信息，请参考通过28-nm FPGA 降低功耗，提高带宽。
通过动态和部分重新配置减少停机时间
Altera 28-nm FPGA 的部分和动态重新配置功能提高了通用性，同时降低了成本。以前
的FPGA 在运行前必须进行全面配置，与之不同，Altera 的28-nm 器件支持对部分
FPGA 模块的在电路重新配置，而其他模块继续正常工作。这类重新配置功能支持针对
系统需求来改变FPGA 功能，而不需要停止系统工作。设计人员不需要大规模FPGA 来
存储所有功能，然后在它们之间进行切换，只需要采用更小的FPGA 并装入功能即可。
f 如果需要了解详细信息，请参考采用28-nm FPGA 的部分和动态重新配置特性增强设计
功能。
采用精度可调DSP
Altera 创新的DSP 设计支持设计人员单独配置器件中每一DSP 模块的精度，从9x9 到
27x27 位，以实现更大封装或者精度要求。例如，简单视频处理只需要9 位精度，而一
些高端颜色系统则需要24 位。对于9 位视频应用，一个模块可以分成三个9 位乘法
器，将DSP 模块的效率提高了三倍。一个精度可调模块能够高效的满足全部范围需求，
从而支持设计人员让FPGA 资源来适应其算法，而不是让算法来适应有限的资源要求。
精度可调DSP 还支持设计中FIR 滤波器和FFT 的位增长，根据需要提高后续级的精度，
从而提高了资源利用率。Altera 的DSP 模块为组合独立模块提供业界唯一的64 位级联
总线和加法器，以进一步提高精度。
f 关于Altera精度可调DSP的详细信息，请参考白皮书采用28-nm DSP全系列产品加速DSP
设计。
Altera 的28-nm 系列产品为各种应用提供三种不同类型的片内存储器。例如，M20K 存
储器模块适用于100G 和数据包处理应用的高性能工作和高比特密度，这类应用需要较
大的存储器以及较高的原始带宽。M10K 模块单位硅片面积的比特密度较低，但是提供
较多的端口，非常适合需要大量DSP 的应用，例如，电机控制、演播设备以及使用部
分M20K 模块的3D TV。大部分应用只需要较小的缓冲，从而浪费了90% 的M10K 模块资
源。为能够高效的低成本处理浅缓冲和延时单元，Altera 提供了640 位MLAB 模块。
专用 I/O 接口
Altera 用于存储器接口和LVDS 信号的高性能I/O 模块是高端无线、雷达和100G 系统
的理想选择。但是，远程射频单元和广播设备等中端应用并不需要这些高性能I/O。相
反，设计人员可以使用Altera 为不同类型应用所提供的各种I/O 体系结构。高端I/O
支持800-MHz DDR3 DIMM 存储器和1.4-Gbps LVDS，适用于100GbE 交换等应用。中端
I/O 模块可处理533-MHz DDR3 存储器和1.25-Gbps。低成本I/O 模块非常适合400-MHz
DDR3，为工业应用提供3.3V-I/O 和16-mA 驱动。
硬核IP 提高了效率第4 页
2011 年5 月Altera 公司采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗和成本
硬核IP 提高了效率
硬核IP 最早出现在Altera 的40-nm 器件中，作为PHY 层单元，因此，在高性能串行
I/O 中不再需要采用外部器件。在Altera 28-nm 器件中，嵌入式HardCopy 模块实现了
ASIC 的成本、性能和功耗特性，不会牺牲设计灵活性，如图2 所示。
在FPGA 中采用HardCopy 模块节省了器件在定制电路上的可编程资源，同时降低了成
本。例如，PCIe 协议堆栈需要150 K 逻辑单元作为软核实现，但是在HardCopy 模块中
只需要三分之一的管芯面积。硬核IP 还提高了性能。与器件中的LE 软核实现相比，
同样功能的硬核IP 功耗降低了近65%，而性能提高了50%。
HardCopy 模块还支持通用功能，例如，存储器控制器、PCIe 堆栈以及以太网接口等，
以满足多种应用需求。而且，这些模块还在一定程度上支持配置功能。例如，设计人
员可以根据需要把PCIe HardCopy 模块配置为Gen1 或者Gen2，把以太网模块配置为
40G 或者100G 工作。
Altera 还可以使用嵌入式HardCopy 模块来迅速支持新出现的专用器件型号。能够扩展
支持当前的器件，就不再需要进行器件移植，从而帮助设计人员缩短了产品面市时间。
选择定制应用解决方案
为进一步提高通用性，Altera 的28-nm 系列产品包括具有各种工艺、体系结构、收发
器和系统IP 特性的器件。每一系列中都有适用于各种收发器速率等级和硬核IP 模块
资源的型号，支持设计人员采用最符合其应用需求的器件。以下章节讨论了这些特性。
成本和功耗最低的Cyclone V
很多应用对性能的要求并不高，但是对成本、功耗( 一般小于5 W) 和体积的要求比较
高。例如，便携式投影仪应尽可能降低功耗以延长电池使用时间。电机控制器、显示
屏和软件无线电对功耗和体积的要求都比较高。每种应用都有其特殊的需求。例如，
WDR 监控摄像机等设备需要低数据速率收发器，将信号发送出去，而夜视镜则需要内部
视频处理和缓冲功能。
图2. 可定制嵌入式HardCopy 模块
Variable Precision DSP Blocks
M20K Internal Memory Blocks
LC PLLs
Fractional PLLs
Clock Network
Customizable Embedded HardCopy Block
PCI Express Gen1/Gen2/Gen3
40G/100G Ethernet PCS/MAC
Other Variants or Custom Solutions
Core Logic Fabric
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Hard PCS
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
Transceiver PMA
or
or
选择定制应用解决方案第5 页
2011 年5 月Altera 公司采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗和成本
Altera 的Cyclone V 系列是Altera 28-nm 系列产品中成本最低、功耗最低的，比较适
合这类应用。Cyclone V 器件采用了LP 工艺进行开发，通过线键合封装降低了成本。
Cyclone V 系列包括以下型号：
■ Cyclone V GX器件提供3-Gbps收发器、硬核IP PCIe Gen 1 x 4接口、M10K和MLAB存
储器模块，以及精度可调DSP。硬核IP 外部存储器控制器支持低成本、低功耗存储
器，例如，移动DDR、LPDDR2 和400-MHz DDR3 等。
■ Cyclone V GT 器件具有与Cyclone V GX 相同的特性，增加了5-Gbps 收发器以及两个
PCIe Gen 2 x 1 硬核IP 模块。
■ Cyclone V E 系列不包括硬核IP 模块，只含有LE，以提高设计的灵活性。
在性能、功耗和成本上达到均衡的Arria V
对于中端应用，在性能、功耗和成本上达到均衡非常关键。与低成本设备应用需求相
比，远程射频单元、广播视频摄像机、10G/40G 线路卡和视频交换机等设备通常需要使
用10-Gbps 收发器。但是，应尽可能降低这类设备的成本，而功耗要小于10 W。这类
应用常见的功能包括视频处理和缓冲、FIR 滤波器以及高性能外部存储器。
中端应用中，Altera 的Arria V 系列在性能、功耗和成本上达到了均衡。Arria V 器
件使用LP 工艺技术来降低功耗。这些器件含有M10K/MLAB 存储器模块，同时提供速度
更快的收发器来满足更高的性能需求。Arria V 器件还使用倒装焊封装来提高片外信号
速度。Arria V 系列包括以下型号：
■ Arria V GX器件含有6-Gbps收发器、支持多功能的硬核IP PCIe Gen 2x4接口、适用
于FIR 滤波器的精度可调DSP，以及支持533 MHz DDR3 SDRAM 的硬核IP 存储器控
制器。
■ Arria V GT 器件提供10-Gbps 收发器，适用于速度要求高一些的应用。逻辑容量在
75,000 至500,000 LE 之间。
性能和带宽最高的Stratix V
对于FPGA 以外的应用，例如40/100GbE 交换机、军用雷达和高级LTE 基站等高性能应
用的需求是最苛刻的。这些系统要求性能最好的收发器应用于背板和芯片至芯片通信，
还需要高密度、高速外部存储器和内部存储器。这些应用通常需要高精度DSP，以及超
过350-MHz 时钟速率的逻辑。虽然这类应用的功耗不是主要问题，但是低功耗在降低
系统散热成本，提高系统可靠性上有很大的优势。
Altera 的Stratix V 器件满足了这些高端应用的需求，在同类器件中性能最好而功耗
最低。Stratix V 器件使用HP 工艺技术来提供高达28 Gbps 的收发器速率，功耗只有
200 mW。可以针对多种存储器类型( 包括，DDR3、RLDRAM II 和QDRII+) 来配置软核存
储器控制器，达到72 位宽，处理速率高达800 MHz。
Stratix V 系列逻辑容量高达1 百10 万LE，提供以下型号：
■ Stratix V GX 器件采用了14.1-Gbps 收发器，支持串行背板和光通信，包括硬核IP
PCIe Gen 3 x8 和40/100G 以太网IP 选择。
■ Stratix V GT系列与Stratix V GX相似，还为高性能应用提供28.2-Gbps收发器。GT
系列含有14.1-Gbps 收发器，但也提供54x54 工作的精度可调DSP 模块。
■ Stratix V E 只提供LE，具有容量最大的可配置逻辑。所有Stratix V 器件都含有性
能最好的高密度M20K 存储器模块。
结论第6 页
2011 年5 月Altera 公司采用Altera 全系列28-nm 器件优化功耗和成本
过渡到ASIC 的快速HardCopy 途径
除了这三种FPGA 系列，Altera 还具有28-nm HardCopy V ASIC 系列，为FPGA 设计产
品量产提供了低风险、低功耗和低成本移植途径。最终的ASIC 使用了与FPGA 相同的
工艺技术，具有同样的硬核IP 模块，包括收发器等，从而减小了移植导致的性能差
异。HardCopy ASIC 与最初的Stratix V 设计在封装和引脚上兼容，具有同样的信号完
整性。开发人员使用HardCopy V ASIC 能够比其他ASIC 方法更快的推出产品。
结论
Altera 的通用28-nm 器件系列完全符合设计人员的需求，同时降低了成本和功耗。而
且，Altera 提供集成设计工具，能够充分发挥器件的所有功能。Quartus II 设计软件
包括系统集成和功耗分析工具，有助于在性能和成本上达到平衡。Altera 提供各种IP
内核，可迅速方便的实现标准功能。设计人员可以使用Quartus II 软件迅速移植到
HardCopy V ASIC。
Altera 的28-nm 器件系列代表了一种跨越式发展，使得FPGA 成为多种应用的理想解决
方案。通过组合工艺、体系结构和各种IP，Altera 提供了集成FPGA 选择，完全符合
各类成本、性能和功耗要求。这类产品为应用开发人员提供了前所未有的快速低风险
方法，帮助他们设计并生产下一代产品。
详细信息
■ 采用全系列28-nm DSP 加速DSP 设计
http://www.altera.com/literature/wp/wp-01136-stxv-dsp-portfolio.pdf
■ 在28-nm 拓展收发器领先优势
http://www.altera.com/literature/wp/wp-01130-stxv-transceiver.pdf
■ 采用28-nm FPGA 的部分和动态重新配置特性增强设计功能
http://www.altera.com/literature/wp/wp-01137-stxv-dynamic-partialreconfig.
pdf
■ 通过28-nm FPGA 降低功耗，提高带宽
http://www.altera.com/literature/wp/wp-01148-stxv-power-consumption.pdf
致谢
■ Juwayriyah Hussain，产品市场高级工程师，Altera 公司。
■ James Adams，企业营销，Altera 公司。
■ Umar Mughal，产品市场经理，Altera 公司。