Altera&Intel开山之作:用Intel技术“装修”的Stratix 10

2015-06-10 10:22:03来源: EEWORLD作者: 陈颖莹
   现在跟你介绍Altera推出的新产品,你可能受Altera被英特尔收购的影响,对Altera FPGA在未来的发展和产品延续性等问题上持有怀疑态度。但是,今天要介绍的这款芯片恰恰是Altera和英特尔密切协作的成果,里面使用了很多英特尔的技术,堪称是Altera+英特尔的开山之作——Stratix 10 FPGA和SoC。你已经迫不及待想了解了吧?
 
    在Altera被英特尔收购的前5天,Altera亚太区副总裁兼董事总经理Erhaan Shaikh先生和Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生专程来到北京,与记者分享Altera在通信市场的优势以及Stratix 10的技术细节。Stratix 10虽然早就进入人们视野,但是技术细节一直被保密,知道今天才让公开,不知道是否与收购事件有关。

图1 Altera亚太区副总裁兼董事总经理Erhaan Shaikh先生

图2 Altera公司产品营销资深总监Patrick Dorsey先生
 
通信领域的新宠儿
 
    Shaikh先生介绍到,FPGA近年来越来越受到关注,特别是在通信领域:“微软使用FPGA来加速必应搜索(Bing),英特尔使用FPGA来加速Xeon CPU,IBM与Altera在OpenCL上展开合作,百度和Altera展示快速图像分类,Altera与中国移动在5G C-RAN平台上展开合作,奥迪在自动驾驶汽车上选择了Altera。其实上述所提到的所有成就都是Altera已有的产品所实现的成就。今天我们要向各位介绍的是新一代产品——Stratix 10。这可以说它是整个可编程世界中的又一个突破,它在性能方面比原有的28 nm器件的性能提高了2倍,之所以能实现这样性能的提升主要是基于两大技术,首先是采用了Intel 14 nm三极工艺,其次就是Altera公司最新研发的一个创新可编程HyperFlex架构。正是由于这两大技术,实现了性能的极大突破。”
 
    Dorsey先生用一张图告诉我们Stratix 10到底有哪些亮点,如图3所示。
图3 一张图展示Stratix 10的亮点
 
    Dorsey先生表示:“系统规划人员目前面临的挑战有三大方面,首先是性能和效率,其次是系统集成,最后是安全。采用Intel 14 nm三栅极工艺的Stratix 10能帮助工程师解决这三大问题,其性能提高2倍、功耗降低70%、高达10 TFLOPS,具有异构3D SiP集成、5.5M逻辑单元(LE)以及四核Cortex-A53,也具有高端FPGA中最全面的安全功能。”
 
HyperFlex架构——减少布线,增加数据吞吐量
 
    在竞争对手一年多前就不断宣传其架构的时候,Altera选择了沉默,很大程度是基于保密的原因。现在新架构的诸多细节终于公布,也让工程师知道了Stratix 10为什么如此优秀。
 
    近些年FPGA性能不断提高但布线并没有跟上,布线延时是性能瓶颈的主要因素,更宽的总线不是解决方案,其增加了拥塞,因此需要在布线上创新。HyperFlex体系结构解决了布线难题,其也被Altera认为是十多年来最大的FPGA体系结构创新。HyperFlex使得FPGA内部“寄存器无处不在”,在所有布线段上增加了超级寄存器,并提供超感知设计工具自动选择最优超级寄存器布局,支持超级重新定时、超级流水线、超级优化和重构环路。
 
    Dorsey先生解释到:“Altera传统架构与Xilinx Ultrascale都面临共同的问题:布线大小问题。先进的处理技术,在布线方面所遇到的阻抗会造成很大的延时,影响了性能的提高。为了解决这个问题,通常会创建类似管道的东西,这个管道把芯片一端和另外一端连接在一起,管道越大,允许通过的数据就会越多。因此,在这样的设计格局之下,总线变得很宽,这就要很长的布线距离,会造成整个性能的降低。HyperFlex就是实现如何把布线尺寸减小并实现更高的数据吞吐量。没有人能做到,除了HyperFlex。”
 
    用户在进行设计的时候,两个模块之间进行通信,会有不同波形的转换,系统性能体现在通信中最长的延时是多少。例如从图3(a)可以看到,其最长延时为3.5 ns,则性能受限于286 MHz。HyperFlex在布线中使用超级寄存器,其优势就在于把这3.5 nm的时间间隔分为三段,即1.2 nm、1.1 nm、1.2 nm,这1.2 ns就是最长的延时,性能提高到833 MHz,使得速度提高了2倍以上(图3(b))。这个概念本身是非常简单的,但它实际上是一个非常强大的架构。
 

图3 采用HyperFlex进行优化,减少关键通路
 
   “中国大型的通信企业在部署400G光通信网络,这是一个非常高带宽的网络,他们必须要用到非常大的管道。如果采用传统架构,这个管道必须是非常大的,以便能够满足数据吞吐量和高带宽的要求。但是当使用Stratix 10之后,可以把管道的大小降低一半,这也意味着在整个系统中所使用芯片面积也会减少一半,它的功耗也会得到很大程度上的控制。”Dorsey先生补充到,“客户早期使用案例表明,在光传送网(OTN)、无线基础设施、数据中心加速和信号处理应用中,Stratix 10比Stratix V速率提高了2~2.9倍;在固网、无线网络、数据中心服务器和企业存储应用中,功耗降低了40%~70%。HyperFlex支持FPGA在数据中心更广泛的应用。”
 
异构3D SiP集成
 
    Stratix 10采用异构3D系统级封装(SiP)集成。对于所有的Stratix 10器件,在单独的硅片上实现收发器,这称之为“收发器块”。每一收发器块含有24个收发器通道,这样,具有144个收发器通道的器件需要6个收发器块。收发器块与单片内核架构管芯集成在封装中,实现了异构3D SiP器件。其收发器块为新技术带来了灵活、可扩展以及产品更迅速面市等优势。
 
收发器新需求
 
    为什么Altera需要Intel在封装方面的技术呢?“因为对于那些半导体的供应商来说,要给客户带来好的产品面临一些需要解决的问题。第一个是数据吞吐量,一个引脚要传输大量的数据,通常在单一芯片中实现如此大的数据传输是很难做到的。第二个是客户希望能够尽快用上HyperFlex架构,也就是我们要尽快把芯片提供出来,同时他们要求该芯片能够支持那些现在还没有被确定为标准的某些协议,因此这对于我们来说面临着一个两难的抉择。一方面要很快出货,另一方面又等待新的标准产生,以便能支持这新的标准。第三个大的问题就是调制格式问题,也就是说两个芯片之间如何进行通信。随着要求越来越高,这些芯片之间的通信方式也变得更加具体化,需要引脚得到很大程度的优化。总之,需要创新才能满足各种不同的收发器新要求。”Dorsey先生解释到,“Stratix 10就能解决上述难题。Altera首次建立这样一种芯片:在一个封装之上有多个裸片。我们的竞争对手之前他也曾经试图这样做过,但他的初衷和我们的不同,我来解释一下我们为什么要这样做。”
 
用裸片“装修”你的FPGA
 
    “我们这里用到的是做营销时经常用的一个词‘TILE’,瓷砖式的东西,一个一个贴上去,用这样的一种方式把多个不同的裸片贴上去,这样就可以实现协议与协议之间的连接,也可以实现I/O的连接。它和我们竞争对手的不同之处在于我们这个FPGA的裸片是一个单片,它单片的性能是非常高的,所以它和其他的芯片在进行通信的过程中不存在任何问题。”Dorsey先生表示。
 
    Altera和Intel之间关于EMIB技术是一种排他性的合作关系。Intel具备实现多个裸片之间连接的能力,有一种技术叫嵌入式多管芯互联桥接(EMIB)封装技术。与传统的基于中介层的方式相比,EMIB的效率和可靠性是非常高的。它之所以能够解决我们之前所提到的那些问题,就在于它是一种像瓷砖铺贴式的方式被拼装在一起,在最初每一块芯片贴上去的时候,它都具有自己最初的功能,而随着整个系统不断发展,它每一块都可以灵活地实现替换。也就是说它可以按照客户的需求实现可伸展性,部署起来非常快,这就使得我们的产品面市的时间能够得到很大的提高。”
 

图4 采用嵌入式多管芯互联桥接(EMIB)封装技术的Stratix 10
 
安全、内核、电源
 
    Stratix 10支持安全器件管理器(SDM),其优点包括:基于扇区的认证和加密,多因素认证,物理不可克隆功能(PUF)技术以及支持用户开发可定制多层安全解决方案。Dorsey先生表示表示:“我们所做到的实际上就是给FPGA当中的每个部分都加装安全方面的性能。因为一个FPGA会涉及500多万个逻辑单元,可以把这些逻辑单元分离开来,在每一个上面都可以有单独的芯片,使它的安全性能得到很大的提高。对于那些云的提供商来说,他们可以把某一个客户的应用和另外客户的应用分开,保障客户应用的安全。”
 
    Dorsey先生还强调了ARM核的重要性:“Stratix 10基于ARM Cortex-A53,它是目前功效最高的64位处理器,在Stratix 10中,ARM处理器是无所不在的。而对于数据中心这类客户,他们非常需要有这样一个硬化的ARM处理器。”
 
    搭配具有最新Spectra-Q引擎的Quartus II软件(参见详细报道:为第10代器件而生,论Altera Spectra-Q引擎的技战术)和Enpirion电源模组系列产品,保证在软件开发和电源上得到最优的解决方案。
 
    “对于每一个Intel产品来说,都具备一个共同的能力,就是SmartVoltage ID,它实际上就是告诉处理器或Stratix 10,电源需要的电压是多少,这样就可以实现器件对电压的优化。”Dorsey先生补充到,“我们和Intel一道,使得在Stratix 10中能够把这些电源管理技术很好地加以使用,以最大程度提高功效。”
 
工业、汽车值得一搏
 
    目前,半导体芯片的成长很大程度上来自于汽车和工业芯片里,而且中国贡献很大,中国也在大力推进环保汽车和工业4.0,Altera在这些领域有什么策略呢?
 
    谈到汽车行业,Shaikh先生表示:“对于Altera来说汽车市场也具有重要战略地位,我们认为FPGA在该领域有很大的增长机会。在亚太区有两个市场是我们非常关注的,一个是韩国,一个是中国。韩国有传统的汽车制造厂商,地位已经非常牢固了。但是中国是一个新兴的汽车市场,有很多新兴的汽车厂商在不断发展,在这方面我们有很大的机会。另外,中国一直倡导绿色出行和电动汽车的发展,中国在这些方面也都具有非常领先的能力,特别是在汽车的电池技术方面,中国的投入是非常大的,Altera也积极参与其中。
 
    “中国政府现在推出一个国家的战略——《2025中国制造》,即工业4.0,Altera有很多非常好的技术和解决方案去应用。工业自动化实际上是我们很看中的一个领域,随着中国在工业自动化上的能力不断提升,它能够更多地参与到全球的竞争中,而不仅仅是在中国本地发展。因此在工业4.0的发展过程中,我们还是能提供很多技术,实际上我们也在做很多工作,例如机器人应用,它很大程度上使用了Cyclone V器件。此外,由于工业化自动化和马达控制共相唇齿,而马达控制又与电动汽车息息相关,在这方面,Altera有自己技术的专长。”
 
    Altera被英特尔收购后,通信领域无疑是重点发展对象,在工业、汽车领域的发展目前可谓迷雾重重。记者倒是希望英特尔可以借Altera拓宽市场,在若干年后,工业和汽车产品上也能标注“Intel”的logo。

   了解更多Stratix10的技术细节,请点击EEWORLD大学堂——
Altera 14 nm Stratix 10 FPGA和SoC入门培训 

关键字:Stratix  10  14  nm  Altera  Intel

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2015/0610/article_3582.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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