Altera首发20nm工艺 详解技术原理

摘要：  本文就可编程逻辑厂商阿尔特拉(Altera)公司首次公开的20nm创新技术展开调查以及深入的分析;深入阐述了FPGA迈向20nm工艺，Altera凭借其异构3D IC、高速收发器和高运算性能的DSP三大创新技术在PLD市场的表现，以及向高性能化和低功耗化发展之道。

关键字：  Altera，  20nm，  收发器，  PLD

本文就可编程逻辑厂商阿尔特拉(Altera)公司首次公开的20nm创新技术展开调查以及深入的分析;深入阐述了FPGA迈向20nm工艺，Altera凭借其异构3D IC、高速收发器和高运算性能的DSP三大创新技术在PLD市场的表现，以及向高性能化和低功耗化发展之道。

在工业设备及精密仪器等产品中，配备超尖端半导体的趋势日益明显。其原因在于，适于多品种少量型产品的 FPGA(Field Programmable Gate Array)技术进步突飞猛进。FPGA是指电子产品设计人员可在开发现场灵活变更电路构造的半导体。在该领域，美国赛灵思(Xilinx)和美国阿尔特拉(Altera)两大厂商合计占有80%左右的市场份额，处于基本被两公司垄断的状态。

从第二季度(2012年4～6月)两大厂商的销售额营业利润率来看，赛灵思(Xilinx)约为28%，阿尔特拉(Altera)约为34%，势头极好。

FPGA之所以可轻松用于多品种少量型产品，其原因在于用来实现所需功能的开发费用非常低(图1)。因此，在难有庞大数量的社会基础设施类通信设备、广播设备及高性能计算机等领域均得到广泛使用。这些产品随着移动计算的发展以及处理高精细影像的应用增加，越来越需要高处理性能。而另一方面，从节能观点来看，也不允许功耗增大。

图1：适于多品种少量型产品的FPGA

图中蓝色区域为FPGA的擅长区域。FPGA原来用于产品价格高且供货量少的用途，但随着半导体技术的微细化，其范围正慢慢向产品价格低且供货量大的用途扩展。本图《日经制造》根据阿尔特拉的数据制成。

意识到这些问题后，FPGA供应商开始竞相推进半导体技术的微细化，并以更低的功耗来实现比老产品更高的性能。目前，在市面上的FPGA中最微细化的是 28nm工艺产品。而阿尔特拉2012年9月在业内率先公开了向FPGA导入相当于下一代工艺即20nm工艺的技术。该公司将目光瞄准了高性能要求较为强烈的工业设备等产品，打算于2013年下半年开始样品供货。

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以40Gbit/秒的速度在芯片间传输数据

阿尔特拉将向20nm工艺FPGA导入约三项新技术(图2)。分别为：(1)与印刷基板上的其他芯片间的数据传输速度与现行的28nm工艺产品相比可提高至约1.5倍的高速收发器技术;(2)数字信号处理性能与28nm工艺产品相比可提高至5倍以上的DSP(专用于数据信号处理的微处理器)模块;(3)将原来在印刷基板上平置的2个以上的半导体集成在简单的三维封装内的“异构3D IC”(3维集成)技术。

图2：凭借20nm工艺导入三项新技术

随着半导体技术的微细化，FPGA开始向高功能化发展。阿尔特拉将在利用最尖端的20nm工艺制造技术的产品中导入3项新技术。

(1)20nm工艺产品可将芯片间的数据传输速度提高至40Gbit/秒。而现行的28nm工艺FPGA为28Gbit/秒。为了实现高速化，提高了收发器电路使用的晶体管的性能，同时导入了根据在芯片间交换的信号的波形来修正信号，改善信号干扰及衰减程度的电路技术。

此次发布的40Gbit/秒的芯片间传输技术与原来一样用电作为信号传输介质。不过，阿尔特拉高级副总裁、首席技术官Misha Burich表示：“今后要想超过50Gbit/秒的话，可能需要在芯片间使用光”。

(2)将配备浮点运算性能达到5TFLOPS以下的可变精度DSP模块。为了提高性能，将原来用软件实现的DSP的部分运算处理改为了硬件操作。

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首次导入三维集成技术

(3)异构三维IC可以说是此次20nm工艺FPGA技术的亮点。“可在削减系统功耗、板卡空间及系统成本的同时，使系统性能得到飞跃性提高”(引自阿尔特拉的Misha Burich)。该技术将原来离开大面积印刷基板上方、以平置方式配置的芯片等与FPGA集成到同一封装中(如图3)。

图3：凭借异构3D IC技术大幅提高系统性能

阿尔特拉将从20nm工艺产品开始导入的异构3D IC技术将该公司的FPGA与以前外置的芯片集成在同一封装中。这样便有望使系统性能及系统功耗等得到改善。

通过将各个芯片收放到同一半导体封装中，不仅可使芯片间的布线距离缩短，而且还可大大增加芯片间的布线根数。这样便可大幅提高芯片间的数据传输速度(系统性能)。而之所以能够降低系统功耗，则是因为芯片间布线距离缩短及接口布线电容减少等原因。

在异构3D IC方面，阿尔特拉正在考虑将20nm工艺FPGA，与存储器或光模块或HardCopy ASIC或第三方ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等集成到同一封装中。

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编辑评论

Altera此次公布的FPGA 20nm相关创新技术，不仅为其在FPGA市场奠定了雄厚的基础，也加速了整个PLD产业链的发展。作为Altera老对手的Xilinx固然不会无动于衷，FPGA双雄是否会继续“剑拔弩张”?不管如何，未来的FPGA市场必然是精彩无限，充满着竞争和发展。FPGA 20nm工艺或许也将为我们揭开FPGA厂商创新发展、追求更低功耗、更高性能的帷幕。[!--empirenews.page--]