全球最大容量FPGA投入量产,内含433亿颗晶体管

作者:单祥茹   来源:中国电子商情

发布时间:2019-11-13

摩尔定律不会死，因为它不是一个物理定律，只是一个人为的预测，是一个商机，我们可以从不同的维度去维护它。这是英特尔公司市场营销集团副总裁兼中国区总经理王锐近日在FPGA Technology Open Day（IFTD19）北京站上的发言。就在同一天，英特尔正式发布了全球最大容量，也是密度最高的全新Stratix 10 GX 10M FPGA，该产品拥有1020万个逻辑单元，使用了433亿颗晶体管，主要针对ASIC原型设计和仿真市场。

图1 全球最大容量英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA发布会现场

超大FPGA容量赋能ASIC原型设计与仿真
英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA是元件密度极高的FPGA，也是目前全球最大容量的FPGA，使用了433亿颗晶体管。它基于现有的英特尔Stratix 10 FPGA架构以及英特尔先进的嵌入式多芯片互连桥接（EMIB）技术。其利用EMIB 技术融合了两个高密度英特尔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，共有1020万个逻辑单元，其密度约为Stratix 10 GX 1SG280 FPGA的3.7 倍，IO连接是其2倍，同等容量下功耗降低40%。而后者为此前英特尔Stratix 10系列中元件密度最高的产品。英特尔公司网络和自定义逻辑事业部副总裁兼FPGA和电源产品营销总经理Patrick Dorsey在产品发布会上接受记者采访时表示，早前，多家客户已经收到全新英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA样片，现在该产品已投入量产，目标市场直指当前最热门的ASIC原型设计和仿真应用。

集成电路是一个需要高投入的行业，尤其是芯片在制造完成后修复硬件设计缺陷的成本要高得多，通常需要昂贵的重新设计费用。当设备制造出来并交付给终端客户，解决这些问题的成本甚至会更高。正因为风险如此之高，且有可能节省的费用如此之多，这些原型设计和仿真系统为IC设计团队带来了实实在在的价值。仿真和原型设计系统可以帮助半导体厂商在芯片制造前发现和避免代价高昂的软硬件设计缺陷，从而节省数百万美元。

Patrick Dorsey表示：“使用最大型的FPGA能够在尽可能少的FPGA设备中纳入大型ASIC、ASSP和SoC设计。英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA就是用于此类应用的一系列大型FPGA系列中的最新产品。该产品支持仿真和原型设计系统的开发，适用于耗用亿级ASIC门的数字IC设计。”Stratix 10 GX 10M FPGA现已支持英特尔Quartus Prime软件套件。该套件采用新款专用IP，明确支持ASIC 仿真和原型设计。

EMIB技术成就Stratix 10 GX 10M FPGA的超大容量
EMIB（Embedded Multi-Die Interconnect Bridge，嵌入式多核心互联桥接）封装技术为英特尔独有，在理念上与2.5D封装类似。据Patrick Dorsey介绍，Stratix 10 GX 10M FPGA 是英特尔第一款使用 EMIB 技术的FPGA产品，其利用EMIB 技术融合了两个高密度Stratix 10 GX FPGA 核心逻辑晶片以及相应的 I/O 单元，拥有1020万个逻辑单元密度。在该产品上，数万个连接通过多颗EMIB将两个FPGA逻辑晶片进行连接，从而在两个单片FPGA逻辑晶片之间形成高带宽连接。之前，英特尔使用了EMIB技术将I/O和内存单元连接到FPGA逻辑晶片，从而实现英特尔Stratix 10 FPGA家族的规模和种类不断扩张。

Patrick Dorsey表示，Stratix 10 GX 10M这款最大容量的FPGA能设计、制造并交付，主要得益于英特尔的EMIB封装技术实现的多颗晶片单个封装。在Stratix 10 GX 10MFPGA内部，连接两个FPGA晶片的共有三个EMIB。

图2  英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA共有1020万个逻辑单元，是第一款使用EMIB技术将两个FPGA晶片在逻辑和电气上实现整合的英特尔FPGA

为什么英特尔在最新的FPGA产品中使用EMIB技术连接两个晶片这样的架构呢？Patrick Dorsey是这样解释的，他说：“从制造工艺角度来看，用一个晶片来实现尺寸实在太大了，这个尺寸与目前晶片生产的模具不匹配，所以我们把它一分为二。有一点值得注意的是，我们所有的FPGA都是多晶片的封装，但Stratix 10 GX 10M是唯一一个把两个FPGA逻辑晶片封装在一起的产品。从技术最优的角度来看，单FPGA逻辑晶片是首选，但我们今天发布的Stratix 10 GX 10M从尺寸上无法选择单晶片。从功耗角度来看，这一款全新的FPGA功能非常强大，当你把这么多功能放在一个封装里，散热可能会是一个难题，但Stratix 10 GX 10M所针对的ASIC原型设计和仿真市场，通常并不需要运行太快的速度，所以这个问题并不严重。当然你也可以选择让这款FPGA高速运行，英特尔也有先进的液体冷却技术协助你的散热设计。”

“或许更重要的是，用来制造英特尔Stratix 10 GX 10M FPGA的半导体和封装技术，并不仅仅是为了制造世界上最大的FPGA，这只是一个附加值，尽管相当重要，但并不是最重点。
而重点在于，这些技术让英特尔能够通过整合不同的半导体晶片，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，用于将几乎任何类型的设备整合到封装系统（SiP）中，以满足特定的客户需求。这些先进技术彼此结合，构成了英特尔独特的、创新且极具战略性的优势。”Patrick Dorsey进一步表示。

为简化软件开发人员的工作，英特尔还推出了oneAPI平台，最新的Stratix 10 GX 10M FPGA也已纳入到该平台中。oneAPI由硬件开发人员事先做好硬件优化库，通过提供高性能的库函数达到简化软件开发人员工作的目的。Patrick Dorsey特别提到，oneAPI目前尚不能达到最佳的硬件优化结果。如果客户肯花时间进行定制化的细节硬件优化和开发，将会得到比oneAPI更优的结果。但oneAPI能提供更快的新品上市时间，更简单，所以这也是客户需要权衡的一件事情。另外，oneAPI最先发布的将会是测试版，测试版将重点展现oneAPI的多种功能，不会强调性能。接下来，oneAPI投产时会做进一步的性能优化。

市场分析机构预测，到2022年，FPGA的市场规模将达到75亿美元，年复合增长率是9%。Patrick Dorsey认为，中国有望成为增长最快速的FPGA市场。而全球FPGA市场的增长主要来自于三个方面，第一个应用市场的增长源于从数据中心端再到边缘端的网络加速，比如正在商用部署的5G。未来要实现更快速的数据传输，必须进行技术的优化和创新。而FPGA所具有的灵活性，将加速这种技术创新。第二个应用市场来自于人工智能，预计到2022年人工智能的市场规模将达到200亿美元，如果FPGA占到其中的5%-10%，将会有10-20亿美元的市场。第三个应用市场则是智慧城市和智慧工厂，在建设过程中需要的大量视频分析处理以便及时掌握其中正在发生什么。

ASIC原型设计和仿真市场对当前最大容量的FPGA需求格外急切。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，能够将当前最大的FPGA用于 ASIC仿真和原型设计系统中，就意味着在接下来的5G、人工智能以及智慧城市和智慧工厂的建设中获得了巨大的竞争优势。