28nm制程助攻 FPGA朝3D IC及SoC设计演进

FPGA正朝3D IC及SoC设计形式演进。得益于28纳米先进制程所带来的低功耗、小尺寸优势，FPGA不仅已能整合处理器核心，朝SoC方案演进，藉此提升整合度及产品性能，更可实现多种异质元件整合的3D IC，将有助开发人员设计出更智能的嵌入式系统。

现场可编程闸阵列(FPGA)厂商在28纳米(nm)制程节点上推出多项全新技术，为客户新一代的系统设计带来意义重大的价值。在新的制程竞赛中，FPGA 业者并非只将现有的FPGA架构移植到新的制程节点上，而是力求各种FPGA的创新，并在市场上推出三维晶片(3D IC)和系统单晶片(SoC)元件。

这些3D IC与SoC产品采用各种形式的可编程技术，包括从可编程硬件到软件、数字到模拟和混合信号(AMS)、单晶片到多晶片3D IC方案(图1)。有了这些全新的3D IC与SoC元件，设计团队就能进一步提升可编程系统的整合度、增加整体系统效能、降低整体物料清单(BOM)成本，以及以更快的速度，向终端市场推出更创新的智慧型产品。


目前FPGA厂商经过多年原型设计和评估所开发出的全新元件也进入量产阶段，如赛灵思(Xilinx)与台积电合作推出全新高效能、低功耗28纳米晶片制程技术，不仅是专为FPGA量身打造，更具有最佳的高效能和低功耗特性;另外，该公司成立顶尖的EDA设计团队来开发全新现代化设计套件，不仅可让客户在采用其五个28纳米元件系列时能提高工作效率，更能够满足往后10年客户对于3D IC与SoC元件的可扩充性需求。

先进纳米制程助阵　SoC FPGA异军突起

SoC FPGA整合三种适用于大规模客制化的可编程设计功能，包括硬件、软件和输入输出(I/O)可编程设计。

从 90年代后期开始，FPGA供应商纷纷推出软核处理器，客户可将这种核心整合至FPGA的逻辑结构中，让设计团队能够在统一的架构中紧密结合处理和逻辑功能，并进一步降低BOM成本。过程中，许多软件处理器都被用作嵌入式状态机 (Embedded State Machine)，而非用来执行各种更复杂系统中的作业系统和软件堆叠。

2005年左右，新的半导体制程让FPGA厂商能够推出更高容量的元件，于是厂商开始将硬核处理器与FPGA逻辑配合使用，藉此有效且大幅提升FPGA的处理效能，如赛灵思先后在其高阶的Virtex FX元件系列中加入PowerPC中央处理器(CPU)核心。

相较于软件核心方案，加入硬核处理器的Virtex FX系列即可大幅提高处理器效能，然设计团队则要先对FPGA逻辑进行程式设计才能为处理器设计程式。一旦要为FPGA逻辑设计程式，设计团队就须建置自己的周边功能和存储器子系统，并须建置“嵌入式系统”和相关进出逻辑的管道。

熟悉FPGA设计的专家当然可提升处理器效能，不过相较于更受欢迎的传统嵌入式系统设计方法，这种架构更为复杂。在此经验基础上，赛灵思于2008年开始进行Zynq-7000 All Programmable SoC的架构设计，同时开始着手建构相关的产业体系，包括硬件和软件开发工具，甚至基础架构，以促进元件的编程设计作业。

此外，赛灵思选择得到充分支援的1GHz频率安谋国际(ARM)A9双核处理器系统，并与ARM合作建立AXI4介面标准，在架构的逻辑部分，能让协力厂商、赛灵思和客户开发的核心都有随插即用的利便性。

此外，赛灵思也让Zynq系列能从处理器直接启动，让系统设计人员能以熟悉的方式投入开发工作，并可尽快着手软件开发，进而加快产品上市时间。由于可先启动处理器，软件设计人员即便不熟悉FPGA逻辑或硬件设计也能使用元件，甚至还能扩展编程设计范围。此外，该公司还提供丰富的外部硅智财(IP)和具可编程功能的高速I/O，不仅能为客户提供一颗FPGA，甚至是一颗FPGA和一个处理器，更可实现真正的SoC FPGA。

TSV技术助力　3D IC FPGA元件出炉

此外，FPGA制造商在28纳米制程节点上推出的另一类全新元件是3D IC。早在2004年，FPGA业者即已探索多晶片在统一IP配置中的堆叠，并推出原型设计，突破摩尔定律的限制，为可编程设计系统整合开创全新范畴。

FPGA 业者的科学家设计各种3D IC架构的测试晶片，探索堆叠晶片的各种方法，并透过硅穿孔(TSV)技术为晶片供电和支援晶片与晶片之间的通讯，如赛灵思透过广泛的原型设计和对可靠制程的坚持，制定“堆叠矽片互连技术(SSI)”做为短期内可行且实用的商用架构。此架构可将多颗晶片并排置于被动式硅中介层上，有助于多颗晶片之间的互连和通讯。晶片透过程式设计可支援超过一万个互连，而每颗晶片和I/O都具有可编程功能。

2012年初，首款3D IC元件已正式出货。该3D IC元件可并排堆叠四个FPGA逻辑部分(Slice)，主要都由FPGA逻辑构成。这款元件内含超过六十八亿个电晶体，打破28奈米制程节点IC电晶体数量的纪录和FPGA逻辑容量的纪录，可提供二百万个逻辑单元，相当于二千万个特定应用集成电路(ASIC)闸极。该元件的尺寸相当于同类竞争元件最大型 FPGA的两倍，以28纳米制程而言其逻辑容量比预期的水准整整领先一个世代。此外，SSI技术架构也让3D IC的容量超越摩尔定律，可满足新一代产品的需求。

首款3D IC深受客户欢迎，并已广泛应用在ASIC原型设计、储存和高效能运算系统等各种应用中，其对于可编程逻辑的容量都有极高的需求。