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硝烟再起!高端FPGA最终拼什么?

墨记 来源:电子发烧友网 作者:张慧娟 2019-11-13 08:49 次阅读

全球最大容量FPGA记录被再度刷新。



这一产品的推出,打破了Xilinx全球三代最大容量FPGA的保持纪录,其最新一代大容量FPGA是今年夏天推出的Virtex UltraScale+ VU19P,采用16nm工艺,基于Arm架构,拥有350亿颗晶体管。

谁在推动FPGA容量不断攀高?

FPGA(Field-Programmable Gate Array)现场可编程门阵列,由于其硬件并行加速能力和可编程特性,在传统通信领域和IC设计领域很受欢迎。特别是伴随着全球通信市场的发展壮大,FPGA以“万金油”的优势迅速找到了用武之地,成为数字系统中的通用组件。

FPGA潜力之巨大、前景之诱人,使得当时不乏IBM、摩托罗拉、飞利浦这些行业巨头前仆后继去尝试,但由于其开发门槛太高,没有坚实的技术积累和长时间的投入,很难形成有竞争力的产品。最终仅以美国硅谷四家公司Xilinx、AlteraLatticeMicrosemi为代表,牢牢占领着主要份额,并铸就了高耸的专利围墙。2015年6月,Intel以167亿美元收购全球第二大FPGA厂商Altera,才算正式进入这一市场,这也创下了Intel有史以来最贵的一笔收购。

伴随5GAI等发展,FPGA在推动创新方面的优势越来越显著,主要体现在三方面:它可以作为先进的多功能加速器;凭借其灵活性能够打造出高度差异化的产品;其硬件可编程性能够满足不断变化的市场要求和标准。

而除此之外,FPGA在另一个领域的需求也水涨船高。

一颗芯片从设计到量产,流片环节占据大额支出。芯片完全设计出来后,需要按照图纸在晶圆上进行蚀刻,采用什么样的制程工艺、多大尺寸的晶圆,以及芯片的复杂程度,都会影响这颗芯片的流片成功率。许多芯片往往需要进行多次流片才能获得较为理想的效果,这些失败流片构成了一大笔费用支出。此外,当芯片制造完成后,如果需要修复硬件设计缺陷,通常需要昂贵的重新设计的费用以及额外的时间支出。特别是当设备制造出来并交付给终端客户的情况下,解决这些问题的成本会更高,甚至远远超出金钱本身的估量。

正因为以上问题带来如此之高的风险,流片前的仿真和原型设计系统越来越普及,因为在风险如此之高的情况下,没有哪个设计团队敢于忽视这项谨慎又必要的验证性投资。它能够帮助半导体厂商在芯片制造前发现问题,避免代价高昂的软硬件设计缺陷,带来数百万美元的费用节省。

由于ASIC 仿真和原型设计系统可以帮助设计团队大幅降低设计风险。包括Intel在内的很多大型半导体公司都开发了自定义原型设计和仿真系统,并在流片前使用该系统来验证自身大规模、高复杂度、高风险的 ASSP 和 SoC 设计。

ASIC 仿真和原型设计系统支持很多与 IC 和系统开发相关的工作,包括:
  • 使用真实硬件的算法开发
  • 芯片制造前的早期 SoC 软件开发
  • RTOS 验证
  • 针对硬件和软件的极端条件测试
  • 连续设计迭代的回归测试
那么,超大容量FPGA又能满足哪些应用需求?

随着半导体制造技术不断的前进、相应的设计规模以及复杂度在飞速增长,使得传统的软件仿真已不可能完全解决功能验证的问题。而且一些需要处理大量实时数据的应用(如视频)也越来越多,因此要求能够在接近实时的条件下进行功能验证。FPGA在实现高效的仿真和功能验证方面,被寄予厚望。

ASIC原型设计和仿真市场迫切需要容量更大的FPGA。目前,市场上已经有数家供应商提供商用现成 (COTS) ASIC原型设计和仿真系统,对于这些供应商而言,如果能够将更大容量的FPGA 用于其 ASIC 仿真和原型设计系统中,就意味着他们能够在尽可能少的 FPGA 设备中纳入大型 ASIC、ASSP 和 SoC 设计。据了解,使用Intel最新的Stratix 10 GX 10M FPGA,能够用于耗用亿级 ASIC 门的数字 IC 设计。

如下是该产品在ASIC原型设计、仿真,满足具体的需求方面,与上一代产品相比带来的性能提升:

超大容量FPGA是如何实现的?

Intel最新发布的这款元件密度极高的Stratix 10 GX 10M FPGA,是基于现有的Stratix 10 FPGA 架构以及先进的嵌入式多芯片互连桥接 (EMIB) 技术。正是通过EMIB 技术,才融合了两个高密度Stratix 10 GX FPGA 核心逻辑晶片(每个晶片容量为 510 万个逻辑单元)以及相应的 I/O 单元,这也是第一款使用 EMIB 技术将两个 FPGA构造晶片在逻辑和电气上实现整合的Intel的FPGA。数万个连接通过多颗 EMIB 将两个 FPGA 构造晶片进行连接,从而在两个单片 FPGA 构造晶片之间形成高带宽连接。

可以说,Intel推出这款世界上最大型的FPGA不仅仅是产品级的超越和创新,更是综合实力的体现。

Intel网络与自定义逻辑事业部副总裁兼 FPGA电源产品营销总经理Patrick Dorsey在采访中表示,独有的封装技术,以及能够整合不同半导体晶片的能力,包括 FPGA、ASIC、eASIC 结构化 ASIC、I/O 单元、3D 堆叠内存单元和光子器件等。Intel具备将不同类型的设备整合到封装系统 (SiP) 中的能力,能够满足特定的客户需求,这些先进技术彼此结合,构成了Intel独特、创新且极具战略性的优势。

此前,Intel已经通过使用EMIB 技术将 I/O 和内存单元连接到 FPGA 构造晶片,从而实现了Stratix 10 FPGA 家族的规模和种类不断扩张。例如:Stratix 10 MX 集成了 8 GB 或 16 GB的 EMIB 相连的 3D 堆叠 HBM2 SRAM 单元,最近发布的Stratix 10 DX FPGA 则集成了 EMIB 相连的 P tile,具备 PCIe 4.0 兼容能力。

Stratix 10 GX 10M 的目标受众主要是ASIC 仿真和原型设计的客户,赋能下一代5G、AI、网络ASIC验证。Patrick Dorsey强调,由于在AI和5G领域很多中国企业已经冲在前面,因此这款新品对于中国市场而言非常重要。

高端FPGA未来拼什么?

回顾FPGA的发展,很大程度上是由工艺技术驱动的,很容易把它的进化看成是简单的容量发展。但事实远非如此。正如所有的半导体芯片一样,它对于功耗、面积、成本、性能的追求永不止步,特别是在“异构计算”盛行的现在,在其异构平台上资源整合的能力变得越来越重要。而除了硬件层面的不断进步,软硬件的协同优化非常关键,从某种程度上甚至可以说,软件工具的研发水平决定了硬件规模和性能所能达到的高度。

Intel在FPGA仿真和原型设计系统的开发方面,可提供Quartus Prime 软件套件,该套件采用新款专用IP。面向软件开发人员,Intel近来一直在主推oneAPI,它旨在提供统一的编程模型,用于简化不同架构的开发工作。

应对未来挑战,英特尔网络和定制逻辑事业部副总裁兼FPGA和电源产品部门总经理David Moore指出,以数据为中心的时代重要的不仅仅是数据量,数据的类型同样需要关注。以类型划分,数据可分为结构化数据、非结构化数据和最佳处理近源数据。这些数据采用全新的数据并行化方式,具备新的数字格式和精度特性,并对实时和QoS提出了更高的要求。

从边缘到云,数据洪流将将产生深远的影响。这也意味着需要更多硬件和软件的深度定制以及更高灵活性。David Moore表示,Intel FPGA的优势在于拥有先进的多功能加速器支持,自身灵活性可助力客户打造高度差异化产品。基于FPGA,Intel构建了一整套体系,包括IA+FPGA解决方案、合作伙伴和生态系统、软件与IP,以及芯片和主板,覆盖从边缘计算到云端再到网络等领域。

在软件和IP方面,英特尔提供了包括基于 LLVM的SYC++L开源编译器、Intel C++ Compiler编译器、OpenVINO工具包等;具体到垂直细分应用层面,Intel FPGA已渗透到嵌入式、边缘计算、物联网、网络连接,以及云和企业等领域。Patrick Dorsey以Intel PAC D5005在AI领域对深度语音识别的加速、PAC Arria 10 GX FPGA对视频分析加速的两大方案为例,指出了Intel不同于其他加速卡产品的最大区别:Intel拥有从端到云的完整加速卡产品线,同时提供较完整的硬件+平台+行业标准的解决方案,能够帮助用户快速将产品推向市场。

此外,Intel形成了包括FPGA、eASIC、ASIC在内的一系列自定义逻辑解决方案组合,凭借可编程性、可扩展性、低时延性、高存储容量等特点,不仅提供更多选择以及跨整个产品生命周期的灵活优化,并且有效帮助客户缩短上市时间,降低总拥有成本。

当然,在这些基础上,重中之重还在于生态系统的建设。Patrick Dorsey在回答高端FPGA开发挑战这个问题时就强调,生态系统的搭建举足轻重。英特尔在做更多FPGA平台级的开发,建立更多软件的堆栈,推动更多主板的开发工作,努力想创造一些新的市场机遇。这也要求FPGA有更多的能力去适应新应用场景,意味着需要和更多的系统集成商、增值服务渠道商合作,共同推动FPGA的发展。

显然,不论是软硬件协同发展,还是扩大生态系统,最终都指向了“易用性”这一终极目标。

易用性对于FPGA的下一个阶段至关重要。如何最大程度释放硬件性能、如何简化跨不同计算架构应用程序的开发工作,成为为数不多的FPGA玩家共同面临的难题。

至于这种易用性如何实现?是通过更好的软件工具,更高级的设计规划,还是更为先进的工艺、封装技术?也许,答案并不唯一,就像所有的人生经验都需要沉淀,所有的成功都需要积累,经历过应用检验后的产品最终会在市场上大放异彩。



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TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
发表于 09-19 16:35 196次 阅读
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
发表于 09-18 16:05 128次 阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器