赛灵思新一代UltraScale架构采用20nm 平面和16nmFinFET

赛灵思业界20nm技术首次投片标志着UltraScale架构时代和ASIC级可编程架构的来临。

在28nm技术突破的基础上，赛灵思又宣布推出基于20nm节点的两款业界首创产品。赛灵思是首家推出20nm商用芯片产品的公司。此外，该新型器件也是赛灵思将向市场推出的首款采用UltraScale®技术（可编程产业的首款ASIC级架构）的产品。UltraScale架构充分发挥Vivado®设计套件中尖端EDA技术的优势，使客户能够快速开展新一代All Programmable创新。在28nm节点上，赛灵思在业界率先推出Zynq®-7000 All Programmable SoC 和 Virtex®-7 3D IC两款产品。此举将继续保持赛灵思从28nm工艺节点开始领先竞争对手整整一代水平的优势。

赛灵思市场营销和企业战略高级副总裁Steve Glaser指出：“赛灵思是首家推出28nm器件的公司，在20nm工艺节点上，我们继续保持业界最积极的的产品投片计划。我们的努力再次获得回报，赛灵思在高端器件上远远领先竞争对手至少一年的时间，而在中端器件上则至少领先半年左右。”

与28nm技术节点一样，赛灵思在推出的新产品组合中也实现了一些业界首创的技术创新。首先，公司推出了新一代UltraScale架构，该架构将采用20nm、16nm FinFET乃至更先进的工艺。Glaser表示：“这是业界首款可帮助用户通过All Programmable器件实现ASIC级设计的可编程架构。UltraScale架构使得赛灵思推出的20nm和16nm FinFET All Programmable能够提供海量I/O和存储器带宽，支持最快速的包处理和DSP处理、类似ASIC的时钟、电源管理和多级安全性。”

架构优势

UltraScale架构包括数百种结构改进，但是如果没有开发出Vivado 设计套件，其中的许多改进都是无法实现的。Vivado 设计套件为赛灵思客户提供了高级EDA工具功能，比方说Vivado的高级布局布线功能，能帮助用户全面发挥UltraScale的海量数据处理功能，使得设计团队能将UltraScale的利用率提升到90%以上，而且还能满足严格的性能和功耗要求。如此高的利用率大大超过了同类竞争产品所能达到的水平，竞争产品现在还要求用户牺牲性能来提高利用率，这就使得客户不得不选用厂商更大型、更昂贵的器件，结果他们却发现需要放慢时钟速率来满足系统功耗要求。

在28nm工艺节点上，这一问题已不复存在，这要归功于赛灵思的布线架构。在20nm工艺节点上，这也不会构成问题，因为UltraScale架构能够针对宽总线实现海量数据流，来帮助客户开发出具有数Tb吞吐量和最低时延的系统。与Vivado协同优化的UltraScale架构能通过高度优化的关键路径与内置高速存储器级联来消除DSP和包处理的瓶颈问题。增强型DSP子系统将关键路径优化与新型27个18位乘法器和两个加法器相结合，可显著提升定点及IEEE-754浮点运算的性能与效率。宽存储器实现方案也适用于UltraScale 3D IC，显著改进了晶片间带宽，从而提高了整体性能。

通常仅见于ASIC级产品中的多区域时钟技术使设计人员能够在其系统中构建出高性能低功耗且时钟歪斜极低的时钟网络。

UltraScale器件对I/O和存储带宽做了进一步改进，包括支持新一代存储器连接，能大幅降低时延并优化I/O性能。该架构提供了多个硬化ASIC级IP核，包括10/100G以太网、Interlaken和PCIe®。

UltraScale架构还支持多区域时钟，该特性通常仅见于ASIC级产品中。多区域时钟能使设计人员能够在其系统中构建出高性能低功耗且时钟歪斜极低的时钟网络。UltraScale架构和Vivado的协同优化也能让设计团队针对赛灵思20nm All Programmable产品的更多不同功能元件采用更丰富的电源门控技术，从而进一步降低功耗。

最后但同样重要的是，UltraScale还支持通过AES比特流解密与认证、密钥模糊处理以及安全设备编程等高级方法来实现业界一流的系统安全性。

专门关键市场量身定制

Glaser指出，设计团队利用UltraScale器件可实现更高的系统集成度，同时最大化整体系统性能，降低整体系统功耗以及系统的总材料清单成本。他说：“当初FPGA仅被视为很好的逻辑器件替代品，但是赛灵思以其在28nm工艺节点上所取得的成果为基础，继续利用20nm和FinFET 16/14工艺提升All Programmable技术的价值，使其远远超越了当初人们对于FPGA产品的价值预期。我们独特的系统价值在多种不同应用中都得到了突出体现。”

Glaser指出，采用赛灵思20nm和16nmFinFET UltraScale架构的器件能充分满足不断涌现的多种不同细分市场需求，例如光传输网络（OTN）、网络高性能计算、数字视频和无线通信等（参见图2）。所有这些领域都必须满足越来越多对产品性能、成本、低功耗和大规模集成的要求。

从ULTRASCALE到更智能化OTN网络

OTN市场目前正向更智能化网络过渡，数据流量要求大规模扩展，以创建更先进的有线网络设备，从今天100 Gbps的数据速度很快发展到400 Gbps乃至未来1 Tbps的水平。传统商业方法应对这种需求只是单纯采用大量更新更快的设备，但今天的网络运营商正在寻求更智能化的方法来构建他们的网络，并改进已经部署安装的网络，同时找到更好的方法来控制成本，所有这些都可以极大地改进服务，提高赢利能力。

举例来说，数据中心市场正将软件定义网络（SDN）作为一种优化网络利用率和降低成本的方法。SDN将帮助网络管理员通过云端和虚拟网络向任何连接到因特网的设备提供数据访问。支持这种软件定义网络的硬件必须高度灵活、可靠且性能高。更高的可编程性与处理功能更紧密的结合是必需的。

虽然网络构建商在开发下一代软件定义网络，但他们的客户仍然希望能延长现有设备的使用寿命。网络构建商利用赛灵思28nmVirtex-7 F580T 3D IC在OTN交换机中实现了单芯片CFP2光学模块，让网络带宽呈指数级增加（参见《赛灵思中国通讯》第45期的封面专题：http://issuu.com/xilinxdoc/docs/cn_xcell_45）。利用UltraScale，赛灵思正在推出集成度更高、更具创新性的器件，从而帮助企业构建出能驱动多个CFP4光学模块的系统，让数据吞吐量实现指数级提升（参见图3）。

从ULTRASCALE到更智能化的数字视频和广播

数字视频是另一个面临大规模扩建的市场。高清TV制造商和辅助广播基础设施正快速推出1080p、4k/2k乃至8k的电视和广播基础设施设备（摄像机、通信和生产装备）。电视机不仅需要满足新兴标准的要求，同时还必须具备丰富的功能且合理定价。市场高度竞争，因此设计的产品必须能快速适应于不断发展的标准要求，能帮助制造商实现电视机差异化是至关重要的。另外，虽然随着标准从1080p到4k/2k乃至8k的转变，屏幕分辨率和画质有了大幅提升，但电视机用户还希望电视更纤薄。这就意味着新型电视机设计需要更高的集成度，同时还要满足消费市场对性能、功耗和材料清单成本的要求。

广播设备要不断大幅发展，才能满足4k/2k乃至8k视频的要求，而客户对系统的最大要求或许就是灵活性和可升级性了。广播标准不断发展演进，因此广播公司在采购中变得越来越睿智，长期生命周期和可升级性成了他们的首要要求，因此采用All Programmable器件的设备成了下一代广播市场所有细分市场的必备品，包括体育赛事的摄像机到控制室的生产设备乃至起居室里的电视机。

图4看显示了中端Kintex®UltraScale 器件如何帮助专业和“专业消费级”相机制造商快速向市场投放新产品，其高级功能可支持4k/2k和8k标准，同时大幅降低成本、尺寸和重量。

从ULTRASCALE到更智能的无线通信

毫无疑问，电子产业发展最迅速的业务就是移动通信了。过去10年移动设备使用量增长了10倍，预计未来10年使用量将进一步激增，电信运营商必须全力以赴想方设法在越来越激烈的竞争环境中吸引客户选择自己的服务计划。无线覆盖和网络性能是关键的差异化因素，因此电信运营商一直在寻找速度更快并能快速传输大量数据的网络设备。当然，电信运营商可以购买越来越多的性能更高的基站，但基础设施的构建和更多设备的维护保养会降低赢利能力，特别是在竞争对手推出成本效率更高的服务计划吸引客户时更是如此。与有线通信领域的电信运营商非常雷同，无线电信运营商也正在寻找更智能的业务运营模式，并想方设法寻找创新型网络架构。

云端无线接入网（C-RAN）就是这样一种架构，它能够帮助电信运营商汇集所有通常与多个基站相关的基带处理资源，在云端执行基带处理。电信运营商能自动将资源转移到高需求区域，例如有体育赛事现场直播的地区附近，并在人群散开后将处理资源分配到其它区域。结果如何呢？这不仅改进了客户的服务质量，同时降低了电信运营商的运营支出等资本，并提高了营利能力。

创建可行的C-RAN架构需要技术尖端、高度灵活的片上系统，可集成高速I/O和串/并行处理功能。赛灵思的UltraScale FPGA和SoC将在这一构建过程中发挥着关键作用。

赛灵思正在构建基于UltraScale架构的20nm Kintex和Virtex All Programmable FPGA、3D IC和Zynq All Programmable SoC。此外，公司正在采用台积电的“FinFET 16”技术开发Virtex UltraScale器件。如需了解有关赛灵思UltraScale架构的更多信息，敬请访问赛灵思的UltraScale网页并阅读相关背景资料介绍。