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硝煙再起!高端FPGA最終拼什么?

墨記 ? 來源:電子發燒友網 ? 作者:張慧娟 ? 2019-11-13 08:49 ? 次閱讀

全球最大容量FPGA記錄被再度刷新。



這一產品的推出,打破了Xilinx全球三代最大容量FPGA的保持紀錄,其最新一代大容量FPGA是今年夏天推出的Virtex UltraScale+ VU19P,采用16nm工藝,基于Arm架構,擁有350億顆晶體管。

誰在推動FPGA容量不斷攀高?

FPGA(Field-Programmable Gate?Array)現場可編程門陣列,由于其硬件并行加速能力和可編程特性,在傳統通信領域和IC設計領域很受歡迎。特別是伴隨著全球通信市場的發展壯大,FPGA以“萬金油”的優勢迅速找到了用武之地,成為數字系統中的通用組件。

FPGA潛力之巨大、前景之誘人,使得當時不乏IBM、摩托羅拉、飛利浦這些行業巨頭前仆后繼去嘗試,但由于其開發門檻太高,沒有堅實的技術積累和長時間的投入,很難形成有競爭力的產品。最終僅以美國硅谷四家公司Xilinx、AlteraLatticeMicrosemi為代表,牢牢占領著主要份額,并鑄就了高聳的專利圍墻。2015年6月,Intel以167億美元收購全球第二大FPGA廠商Altera,才算正式進入這一市場,這也創下了Intel有史以來最貴的一筆收購。

伴隨5GAI等發展,FPGA在推動創新方面的優勢越來越顯著,主要體現在三方面:它可以作為先進的多功能加速器;憑借其靈活性能夠打造出高度差異化的產品;其硬件可編程性能夠滿足不斷變化的市場要求和標準。

而除此之外,FPGA在另一個領域的需求也水漲船高。

一顆芯片從設計到量產,流片環節占據大額支出。芯片完全設計出來后,需要按照圖紙在晶圓上進行蝕刻,采用什么樣的制程工藝、多大尺寸的晶圓,以及芯片的復雜程度,都會影響這顆芯片的流片成功率。許多芯片往往需要進行多次流片才能獲得較為理想的效果,這些失敗流片構成了一大筆費用支出。此外,當芯片制造完成后,如果需要修復硬件設計缺陷,通常需要昂貴的重新設計的費用以及額外的時間支出。特別是當設備制造出來并交付給終端客戶的情況下,解決這些問題的成本會更高,甚至遠遠超出金錢本身的估量。

正因為以上問題帶來如此之高的風險,流片前的仿真和原型設計系統越來越普及,因為在風險如此之高的情況下,沒有哪個設計團隊敢于忽視這項謹慎又必要的驗證性投資。它能夠幫助半導體廠商在芯片制造前發現問題,避免代價高昂的軟硬件設計缺陷,帶來數百萬美元的費用節省。

由于ASIC 仿真和原型設計系統可以幫助設計團隊大幅降低設計風險。包括Intel在內的很多大型半導體公司都開發了自定義原型設計和仿真系統,并在流片前使用該系統來驗證自身大規模、高復雜度、高風險的 ASSP 和 SoC 設計。

ASIC 仿真和原型設計系統支持很多與 IC 和系統開發相關的工作,包括:
  • 使用真實硬件的算法開發
  • 芯片制造前的早期 SoC 軟件開發
  • RTOS 驗證
  • 針對硬件和軟件的極端條件測試
  • 連續設計迭代的回歸測試
那么,超大容量FPGA又能滿足哪些應用需求?

隨著半導體制造技術不斷的前進、相應的設計規模以及復雜度在飛速增長,使得傳統的軟件仿真已不可能完全解決功能驗證的問題。而且一些需要處理大量實時數據的應用(如視頻)也越來越多,因此要求能夠在接近實時的條件下進行功能驗證。FPGA在實現高效的仿真和功能驗證方面,被寄予厚望。

ASIC原型設計和仿真市場迫切需要容量更大的FPGA。目前,市場上已經有數家供應商提供商用現成 (COTS) ASIC原型設計和仿真系統,對于這些供應商而言,如果能夠將更大容量的FPGA 用于其 ASIC 仿真和原型設計系統中,就意味著他們能夠在盡可能少的 FPGA 設備中納入大型 ASIC、ASSP 和 SoC 設計。據了解,使用Intel最新的Stratix 10 GX 10M FPGA,能夠用于耗用億級 ASIC 門的數字 IC 設計。

如下是該產品在ASIC原型設計、仿真,滿足具體的需求方面,與上一代產品相比帶來的性能提升:

超大容量FPGA是如何實現的?

Intel最新發布的這款元件密度極高的Stratix 10 GX 10M FPGA,是基于現有的Stratix 10 FPGA 架構以及先進的嵌入式多芯片互連橋接 (EMIB) 技術。正是通過EMIB 技術,才融合了兩個高密度Stratix 10 GX FPGA 核心邏輯晶片(每個晶片容量為 510 萬個邏輯單元)以及相應的 I/O 單元,這也是第一款使用 EMIB 技術將兩個 FPGA構造晶片在邏輯和電氣上實現整合的Intel的FPGA。數萬個連接通過多顆 EMIB 將兩個 FPGA 構造晶片進行連接,從而在兩個單片 FPGA 構造晶片之間形成高帶寬連接。

可以說,Intel推出這款世界上最大型的FPGA不僅僅是產品級的超越和創新,更是綜合實力的體現。

Intel網絡與自定義邏輯事業部副總裁兼 FPGA電源產品營銷總經理Patrick Dorsey在采訪中表示,獨有的封裝技術,以及能夠整合不同半導體晶片的能力,包括 FPGA、ASIC、eASIC 結構化 ASIC、I/O 單元、3D 堆疊內存單元和光子器件等。Intel具備將不同類型的設備整合到封裝系統 (SiP) 中的能力,能夠滿足特定的客戶需求,這些先進技術彼此結合,構成了Intel獨特、創新且極具戰略性的優勢。

此前,Intel已經通過使用EMIB 技術將 I/O 和內存單元連接到 FPGA 構造晶片,從而實現了Stratix 10 FPGA 家族的規模和種類不斷擴張。例如:Stratix 10 MX 集成了 8 GB 或 16 GB的 EMIB 相連的 3D 堆疊 HBM2 SRAM 單元,最近發布的Stratix 10 DX FPGA 則集成了 EMIB 相連的 P tile,具備 PCIe 4.0 兼容能力。

Stratix 10 GX 10M 的目標受眾主要是ASIC 仿真和原型設計的客戶,賦能下一代5G、AI、網絡ASIC驗證。Patrick Dorsey強調,由于在AI和5G領域很多中國企業已經沖在前面,因此這款新品對于中國市場而言非常重要。

高端FPGA未來拼什么?

回顧FPGA的發展,很大程度上是由工藝技術驅動的,很容易把它的進化看成是簡單的容量發展。但事實遠非如此。正如所有的半導體芯片一樣,它對于功耗、面積、成本、性能的追求永不止步,特別是在“異構計算”盛行的現在,在其異構平臺上資源整合的能力變得越來越重要。而除了硬件層面的不斷進步,軟硬件的協同優化非常關鍵,從某種程度上甚至可以說,軟件工具的研發水平決定了硬件規模和性能所能達到的高度。

Intel在FPGA仿真和原型設計系統的開發方面,可提供Quartus Prime 軟件套件,該套件采用新款專用IP。面向軟件開發人員,Intel近來一直在主推oneAPI,它旨在提供統一的編程模型,用于簡化不同架構的開發工作。

應對未來挑戰,英特爾網絡和定制邏輯事業部副總裁兼FPGA和電源產品部門總經理David Moore指出,以數據為中心的時代重要的不僅僅是數據量,數據的類型同樣需要關注。以類型劃分,數據可分為結構化數據、非結構化數據和最佳處理近源數據。這些數據采用全新的數據并行化方式,具備新的數字格式和精度特性,并對實時和QoS提出了更高的要求。

從邊緣到云,數據洪流將將產生深遠的影響。這也意味著需要更多硬件和軟件的深度定制以及更高靈活性。David Moore表示,Intel FPGA的優勢在于擁有先進的多功能加速器支持,自身靈活性可助力客戶打造高度差異化產品。基于FPGA,Intel構建了一整套體系,包括IA+FPGA解決方案、合作伙伴和生態系統、軟件與IP,以及芯片和主板,覆蓋從邊緣計算到云端再到網絡等領域。

在軟件和IP方面,英特爾提供了包括基于 LLVM的SYC++L開源編譯器、Intel C++ Compiler編譯器、OpenVINO工具包等;具體到垂直細分應用層面,Intel FPGA已滲透到嵌入式、邊緣計算、物聯網、網絡連接,以及云和企業等領域。Patrick Dorsey以Intel PAC D5005在AI領域對深度語音識別的加速、PAC Arria 10 GX FPGA對視頻分析加速的兩大方案為例,指出了Intel不同于其他加速卡產品的最大區別:Intel擁有從端到云的完整加速卡產品線,同時提供較完整的硬件+平臺+行業標準的解決方案,能夠幫助用戶快速將產品推向市場。

此外,Intel形成了包括FPGA、eASIC、ASIC在內的一系列自定義邏輯解決方案組合,憑借可編程性、可擴展性、低時延性、高存儲容量等特點,不僅提供更多選擇以及跨整個產品生命周期的靈活優化,并且有效幫助客戶縮短上市時間,降低總擁有成本。

當然,在這些基礎上,重中之重還在于生態系統的建設。Patrick Dorsey在回答高端FPGA開發挑戰這個問題時就強調,生態系統的搭建舉足輕重。英特爾在做更多FPGA平臺級的開發,建立更多軟件的堆棧,推動更多主板的開發工作,努力想創造一些新的市場機遇。這也要求FPGA有更多的能力去適應新應用場景,意味著需要和更多的系統集成商、增值服務渠道商合作,共同推動FPGA的發展。

顯然,不論是軟硬件協同發展,還是擴大生態系統,最終都指向了“易用性”這一終極目標。

易用性對于FPGA的下一個階段至關重要。如何最大程度釋放硬件性能、如何簡化跨不同計算架構應用程序的開發工作,成為為數不多的FPGA玩家共同面臨的難題。

至于這種易用性如何實現?是通過更好的軟件工具,更高級的設計規劃,還是更為先進的工藝、封裝技術?也許,答案并不唯一,就像所有的人生經驗都需要沉淀,所有的成功都需要積累,經歷過應用檢驗后的產品最終會在市場上大放異彩。



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寫在前面的話 做很多圖像算法的時候,我們經常需要用到模板運算(如sobel圖像邊緣檢測、中值濾波、均值濾波等等),處理這些問...
發表于 12-05 11:58 ? 341次 閱讀
【夢翼師兄今日分享】 移位寄存器的 IP核調取及應用

【夢翼師兄今日分享】 串行轉并行程序設計及講解

寫在前面的話 串并/并串轉換是FPGA設計過程中的一個重要技巧,經常被用在高速數據流處理中,特別是在通信接口方面尤為重要...
發表于 12-05 11:56 ? 353次 閱讀
【夢翼師兄今日分享】 串行轉并行程序設計及講解

【夢翼師兄今日分享】 流水線設計講解

寫在前面的話 作為初學者,通常情況下我們所設計的電路都是低速的電路,一般都在百兆以下。那么,當我們需要設計高速電路的時...
發表于 12-05 11:53 ? 366次 閱讀
【夢翼師兄今日分享】 流水線設計講解

【夢翼師兄今日分享】 數碼管顯示設計講解

寫在前面的話 在項目設計中,我們通常需要一些顯示設備來顯示我們需要的信息,可以選擇的顯示設備更是種類繁多,玲瑯滿目,數...
發表于 12-05 11:51 ? 251次 閱讀
【夢翼師兄今日分享】 數碼管顯示設計講解

【求助】關于使用USBDM燒寫中遇到的問題

最近在某寶上買了個飛思卡爾USBDM全功能版,想實現對產品單板的燒寫,單板用的是MC9S12DG128,根據說明書(說明書見附...
發表于 12-05 09:37 ? 132次 閱讀
【求助】關于使用USBDM燒寫中遇到的問題

【夢翼師兄今日分享】 SignalTapII在線調試邏輯分析儀使用

寫在前面的話 在諸多數字系統設計書籍中,關于FPGA開發的基本流程,幾乎都介紹到了嵌入式邏輯分析儀(或稱之為虛擬邏輯分...
發表于 12-04 10:30 ? 394次 閱讀
【夢翼師兄今日分享】 SignalTapII在線調試邏輯分析儀使用

TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP411設備是一個帶有內置本地溫度傳感器的遠程溫度傳感器監視器。遠程溫度傳感器,二極管連接的晶體管通常是低成本,NPN或PNP型晶體管或二極管,是微控制器,微處理器或FPGA的組成部分。 遠程精度為±1 °C適用于多個設備制造商,無需校準。雙線串行接口接受SMBus寫字節,讀字節,發送字節和接收字節命令,以設置報警閾值和讀取溫度數據。 TMP411器件中包含的功能包括:串聯電阻取消,可編程非理想因子,可編程分辨率,可編程閾值限制,用戶定義的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大溫度監視器,寬遠程溫度測量范圍(高達150°C),二極管故障檢測和溫度警報功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封裝。 特性 ±1°C遠程二極管傳感器 ±1°C本地溫度傳感器 可編程非理想因素 串聯電阻取消 警報功能 系統校準的偏移寄存器 與ADT7461和ADM1032兼容的引腳和寄存器 可編程分辨率:9至12位 可編程閾值限...
發表于 09-19 16:35 ? 111次 閱讀
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器

TMP468器件是一款使用雙線制SMBus或I 2 C兼容接口的多區域高精度低功耗溫度傳感器。除了本地溫度外,還可以同時監控多達八個連接遠程二極管的溫度區域。聚合系統中的溫度測量可通過縮小保護頻帶提升性能,并且可以降低電路板復雜程度。典型用例為監測服務器和電信設備等復雜系統中不同處理器(如MCU,GPU和FPGA)的溫度。該器件將諸如串聯電阻抵消,可編程非理想性因子,可編程偏移和可編程溫度限值等高級特性完美結合,提供了一套精度和抗擾度更高且穩健耐用的溫度監控解決方案。 八個遠程通道(以及本地通道)均可獨立編程,設定兩個在測量位置的相應溫度超出對應值時觸發的閾值。此外,還可通過可編程遲滯設置避免閾值持續切換。 TMP468器件可提供高測量精度(0.75°C)和測量分辨率(0.0 625°C)。該器件還支持低電壓軌(1.7V至3.6V)和通用雙線制接口,采用高空間利用率的小型封裝(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在計算系統中輕松集成。遠程結支持-55°C至+ 150°C的溫度范圍。 特性 8通道遠程二極管溫度傳感器精度:±0.75&...
發表于 09-18 16:05 ? 82次 閱讀
TMP468 具有引腳可編程的總線地址的高精度遠程和本地溫度傳感器
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