28纳米FPGA: 降低功耗 提高带宽

2011-03-18 17:01:52来源: eepw 关键字:28纳米  FPGA
    低功耗和高带宽是下一代高端设计的两个主要需求。对全球范围多个应用领域的调研表明,以相同甚至更低功耗及成本来实现更大的带宽已成为大势所趋。现在应对带宽不断增长的技术是演进中的40G和100G系统(以及即将出现的400G系统)。设计下一代FPGA来满足目前对宽带和低功耗需求的难度越来越大。

  选择合适的工艺技术

  采用更小的工艺结构总是能够提高集成度,降低功耗,性能会优于前一代产品,28nm工艺也不例外。28nm工艺具有明显的性能优势,但是,要充分发挥这些优势,需要为28nm工艺创造合适的环境。Altera选择TSMC28nm高性能(28HP)HKMG工艺,借助与TSMC长达17年的合作关系,优化StratixVFPGA低功耗工艺。28HP工艺同时支持StratixVFPGA,提供28Gbps高功速收发器,适用于超宽带应用。

  特别需要指出,Altera与TSMC密切协作,定制开发低漏电流晶体管,在各种StratixV功能模块中使用这些晶体管,在相对性能要求不高的地方降低功耗。此外,Altera定制了28HP工艺来实现可编程功耗技术,这是降低静态功耗的关键创新。而且,Altera利用28HP工艺提供的低电压,大幅度降低功耗,而且对性能没有影响。

  FPGA体系结构创新

  以下将以Altera最近的四代Stratix系列FPGA为例,说明FPGA的体系结构创新。

  StratixVFPGA基于StratixIVFPGA的高性能体系结构,通过关键体系结构创新,前所未有地提高了系统集成度,实现了非常灵活的系统,帮助设计人员获得更大的带宽,更低的功耗。这些创新包括引入嵌入式HardCopy模块、28G收发器以及部分重新配置功能。

  嵌入式HardCopy模块用来实现硬核或者需要消耗大量逻辑的模块,例如接口协议、特定的功能应用和专业定制IP等。StratixVFPGA集成的这些特性使得这款FPGA可以应用于众多大带宽的应用,例如,PCIExpress(PCIeR)Gen1/Gen2/Gen3和40G、100G等。

  嵌入式HardCopy模块使用户能够提高FPGA容量,在单芯片中集成更多的功能,不会增加功耗和成本。如果芯片中没有包含嵌入式HardCopy模块,那么随着FPGA设计密度的加倍,设计人员必须使用较大的FPGA,不但增加了成本,而且静态功耗也增加了一倍。

  利用StratixVFPGA中丰富的硬核IP模块,设计人员显著降低了设计的功耗和成本,同时满足了目标应用的宽带要求。与软核逻辑实现相比,使用硬核IP实现的设计功耗低65%,性能提高2倍,可以确保达到时序收敛。此外,硬核IP模块使设计人员能够使用密度较小的FPGA,这也达到了降低成本和功耗的目的。

  Altera在28nm引入的另一关键创新是高功效28Gbps高速串行收发器。这些28Gbps收发器设计用于芯片至芯片或者芯片至模块的数据传输,用于满足固网市场光模块接口向28Gbps的发展趋势

  部分重新配置功能是指能够重新配置部分FPGA,而器件其他部分仍然正常运行。设计人员使用这一特性的一个主要优势在于降低了器件密度,从而减小了功耗,降低了成本。这一技术的重要应用包括可重配置通信系统以及高性能计算平台。

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关键字:28纳米  FPGA

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0318/article_1913.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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