堆叠硅片互联技术和28Gbps 收发器引领 FPGA 创新的新时代

超越摩尔定律的堆叠硅片互联技术和28Gbps 收发器引领 FPGA 创新的新时代

赛灵思最近推出了两款最新创新技术，进一步扩展了 FPGA 的应用可能与市场范围。去年 10 月底，赛灵思宣布在即将推出的 28nm 高端Virtex®-7 系列中新增堆叠硅片互联(SSI) FPGA（见《赛灵思中国通讯》第 37 期）。最新创新型架构可在单个硅中介层上连接数个芯片，这使赛灵思的 Virtex-7 FPGA 能够集成多达200 万个逻辑单元（是已宣布推出的任何其他 28nm FPGA 的逻辑容量的两倍），从而在当代工艺技术中实现下一代产品的功能。

随后，赛灵思于去年 11 月底还透露了 Virtex-7 HT 系列器件的相关信息。Virtex-7 HT 器件利用 SSI 技术，在单个芯片上集成了 FPGA 和高速收发器芯片，这对通信领域的客户而言是一个巨大的技术飞跃，而且能满足越来越多应用对高速 I/O 的需求。最新 FPGA 能够在同一器件上容纳众多 28Gbps 收发器以及数 10 个13.1Gbps 收发器，这有助于在新设备标准制定之前为当前 100Gbps 通信设备以及 400Gbps 通信线路卡的开发做好准备。

超越摩尔定律

Intel 联合创始人戈登摩尔于1965 年 4 月 19 日在《电子》杂志上发表了深有远见的《在集成电路上集成更多组件》一文，此后半导体产业每 22 个月更新换代都将晶体管集成量翻一番。与半导体产业中的其他公司一样，赛灵思过去多年来也认识到，要想引领整个市场，就必须跟上摩尔定律的发展速度，每代工艺技术都要达到相应的集成标准，甚至要当引领标准发展的先锋。

目前，随着最新工艺的发展，复杂性、成本和设计风险日益提高，很多公司都应接不暇，而赛灵思则找到了推进新一代产品 Virtex-7 FPGA 容量翻番的独特方法。赛灵思推出了业界首批堆叠硅片架构之一，带来了一系列业界最大型的 FPGA。其中最大型的 FPGA 就是 28nm Virtex-7XC7V2000T，其包括 200 万个逻辑单元和 305,400 个逻辑切片，BRAM容量高达 46,512 kb，还包括 2,160个DSP 切片 和 36 个 GTX 10.3125 Gbps 收发器。Virtex-7 系列包括多
个 SSI FPGA，采用单片 FPGA 配置。Virtex-7 是 7 系列的高端产品，其他 7 系列产品还包括新型低成本低功耗 ArtixTM FPGA 以及中端 KintexTM FPGA，上述所有产品均采用了统一面向应用的模块化模块 (ASMBL) 架构。

最新 SSI 技术不仅能满足用户使用业界最大型 FPGA 的要求，主流逻辑芯片中成功部署堆叠芯片还能带来重大的半导
体设计成果。大多数公司还在评估堆叠芯片架构时，赛灵思就推出了堆叠硅芯片，有望改善容量和集成度，节约 PCB 板级空间，甚至进一步提高产量。大多数公司为了赶上摩尔定律不得不选择堆叠硅片技术，而赛灵思则充分利用该技术让其脱颖而出，在单个 IC 上组合匹配多种不同类型的芯片，从而大幅提升系统性能，降低材料清单成本 (BOM)，提高功率效率。

堆叠硅片架构

赛灵思负责 FPGA 开发与芯片技术的企业副总裁 Liam Madden 指出：“这种新的堆叠硅片互联技术使赛灵思能够为当代工艺技术带来下一代的高密度性能。随着芯片尺寸的增大，良率将呈指数级下降，因此构建大型芯片相当困难，而且成本不菲。最新架构使我们能够构建一系列较小型芯片，然后通过硅中介层并排连接在该中介层上，看起来就像一体化芯片一样，而且功能一样。”（如图 1 所示）

 

 

图 1 堆叠硅片架构在单个硅中介层上并排放置多个芯片（即切片）。

每个芯片通过硅中介层中各层互联，其方式类似于印制电路板上各层分立组件的互联（如图 2 所示）。芯片和硅中介层通过多个微凸块连接。该架构还采用穿过无源硅中介层的硅通孔 (TSV) 协助实现器件上每个芯片不同区域以及片外资源之间的通信（如图 3所示）。相邻 FPGA 芯片间的数据在10,000 多个路由连接之间流动。

 

 

图 2 赛灵思的堆叠硅片互联技术采用无源硅中介层、微凸块和硅通孔技术。

 

 

图 3 28nm Virtex-7 器件真实的横截面图。我们看到 TSV 通过硅中介层连接微凸块（顶部虚线）。