先進製程競賽鳴槍起跑　FPGA加速邁向16/14奈米

現場可編程閘陣列(FPGA)正加速導入先進製程。隨著通訊聯網市場發展愈來愈蓬勃，包括光通訊網路(OTN)、數位影音與無線通訊等應用的網路流量亦持續快速增長，促使賽靈思(Xilinx)與Altera加緊16與14奈米(nm)先進製程FPGA產品開發，以滿足通訊市場日益嚴苛的效能要求。

尤其是在各國電信營商皆戮力發展100G以上光纖骨幹網路的風潮下，採用先進製程的FPGA所扮演的角色將更加關鍵，其中，以鰭式電晶體(FinFET)製程技術為基礎的16或14奈米FPGA元件，將可大幅提升電信設備數據處理效能，並且為雲端資料中心降低整體功耗，遂已成功吸引市場目光，並成為FPGA業者搶進400G光通訊市場的關鍵利器。

瞄準400G光通訊市場　FPGA業者加碼FinFET製程

圖1　賽靈思全球品質控管與新產品導入資深副總裁暨亞太區執行總裁湯立人指出，FPGA業者為搶攻400G光通訊市場，正全力研發FinFET製程產品。

賽靈思全球品質控管與新產品導入資深副總裁暨亞太區執行總裁湯立人(圖1)表示，目前正大量布建的100G光通訊設備都須採用28奈米FPGA元件，才能滿足其高速傳輸速率與大頻寬特性的要求，而未來400G光通訊則須以20奈米，甚至是16奈米FinFET製程的元件才能符合電信設備業者的需求，進而激勵FPGA業者加速研發此一新製程。

湯立人進一步指出，未來光通訊規格從100G擴及至400G後，先進製程FPGA在系統中的重要性將更為提升，並且會快速取代特定應用標準產品(ASSP)與特定應用積體電路(ASIC)，成為電信設備中的關鍵零組件。造成此一趨勢的主因在於ASSP或ASIC進行FinFET製程的光罩成本過於昂貴，加上通訊設備業者講求客製化功能，因此這些標準型晶片難以取得優勢。

事實上，包括中興、華為、思科(Cisco)、阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)與愛立信(Ericsson)等電信設備業者都已開始將資料處理晶片從ASIC轉換至高階製程的FPGA元件，顯見新一代光通訊技術確實已影響電信設備內部關鍵零組件物換星移。

圖2　Altera資深產品行銷總監Patrick Dorsey認為，SoC FPGA將會取代ASSP與ASIC在光通訊市場中的地位。

Altera資深產品行銷總監Patrick Dorsey(圖2)表示，相較於一般消費性市場或嵌入式市場，光通訊市場的電信設備商更需要高效能、低功耗以及可高度客製化的元件，因此唯有率先跨入20奈米以下高階製程的FPGA元件才能滿足其需求。

Dorsey分析，從生產成本與市場需求角度觀察，ASIC與ASSP等標準型晶片在20奈米以下的高階製程將面臨造價昂貴，導致消費性市場難以接受的困境，而現今光通訊市場的需求量更是不足以支撐ASIC晶片商投資光罩費用的成本，進而使FPGA業者有機會大舉進軍光通訊市場。

有鑑於此，賽靈思與Altera都已針對先進製程技術展開布局。其中，賽靈思已與台積電攜手合作20奈米FPGA投片計畫，新一代採用20奈米製程的FPGA方案可較目前的28奈米方案降低35%功耗，這對於雲端資料中心或光通訊設備而言相當重要。20奈米FPGA將具備更多電晶體數量，不僅有助於提升FPGA元件效能，亦可容納更多矽智財(IP)，協助用戶打造差異化產品。

賽靈思亞太區銷售及市場副總裁楊飛指出，目前賽靈思已與台積電共同研發16奈米FinFET製程，希冀藉此技術再次大幅提升FPGA元件的效能，進而成為該公司插旗400G光通訊市場的關鍵利器。

無獨有偶，Altera也與台積電進行20奈米FPGA產品開發合作計畫，並同時與英特爾(Intel)展開14奈米FinFET製程的技術合作，依據不同的製程技術為FPGA進行量身訂做的設計，進而滿足不同客戶的需求。

Altera有線事業部資深策略市場行銷經理Kevin A. Cackovic指出，現今FPGA元件發展與過去的主要不同之處，在於應用方面已不再適合採用「一體適用」的元件，這也正是為何Altera的28奈米產品選擇兩種製程技術的主因。

據悉，Altera在低階與中階產品中，運用低功率消耗的製程，並提供客戶針對特定應用進行最佳化的功能；在高階產品方面，則運用高效能製程，以滿足各類客戶的需求。

事實上，除高階製程技術有助於FPGA業者搶進400G光通訊市場外，新一代系統單晶片(SoC)FPGA元件亦導入了安謀國際(ARM)的CPU核心，本身即具有資料處理的能力，再加上既有的高靈活度設計優勢，因此足以與數位訊號處理器(DSP)或ASIC相抗衡。

Cackovic補充，SoC FPGA再加上FinFET製程，能完全展現多晶片3D解決方案的優勢，藉此高度整合靜態隨機存取記憶體(SRAM)、動態隨機存取記憶體(DRAM)與各種處理器核心，且晶片尺寸也可因為先進製程技術而更加精巧。

除先進製程外，FPGA業者為加速100G與400G光通訊設備資料數據處理效能，亦紛紛推出新一代FPGA架構，協助系統開發人員提升產品性能與功率效益。

加快資料處理速度　FPGA元件商競推新架構

楊飛表示，新一代FPGA架構在浮點運算、封包處理、布線資源與邏輯單元分配上，必須比舊有架構更佳，才能真正滿足光通訊設備的要求。以布線資源為例，新一代FPGA架構若能在布建路徑上更加優化，將有助於改善光通訊設備在進行大量訊號同時處理時，容易發生的訊號壅塞問題，進而提升設備整體效能。

有鑑於此，賽靈思推出新一代FPGA架構--UltraScale，相較於其他競爭對手的FPGA元件，賽靈思UltraScale FPGA效能可提升1.5～2倍的系統級效能，且可釋出更多邏輯單元與布線資源，進而實現媲美ASIC時脈效能與電源管理效能的表現。

事實上，賽靈思UltraScale架構不僅邏輯容量變大，且整體功耗也比上一代Virtex 7系列架構減少25%。更重要的是，UltraScale由於邏輯容量變大，加上先進製程助力，因此只須單一晶片即可滿足400G光通訊設備的需求，反觀若使用Virtex 7系列則需四顆FPGA才能做到400G光通訊應有的效能。

據了解，賽靈思UltraScale架構的FPGA元件將於2013年第四季小量試產，2014年第一季開始正式量產，目前已有不少電信設備商正在以此元件開發新產品。

不讓賽靈思專美於前，Altera也發布採用新架構的第十代FPGA--Arria 10與Stratix 10，分別使用台積電20奈米製程與英特爾14奈米製程打造，同時瞄準中階與高階FPGA市場，並藉此新一代架構強攻未來光通訊商機。

Cackovic表示，100G光通訊設備與400G光通訊設備對於FPGA元件的要求各有不同，因此FPGA業者須針對不同產品需求開發適用的產品。Arria 10雖定義為中階元件，但其效能已可與目前市面上高階元件相比擬，且整體功耗比上一代架構降低40%，效能則提高15%。

Cackovic進一步說明，Stratix 10則是鎖定400G光通訊與雲端資料中心等高階應用市場，透過英特爾獨特的14奈米三閘(Tri-Gate)電晶體製程，晶片效能比現今28奈米FPGA高出兩倍，整體功耗更降低70%，且單晶片上整合超過四百萬個邏輯單元，相當適合用於下一代光通訊網路系統。

據了解，目前Altera已開始提供14奈米Stratix 10測試晶片給用戶進行產品設計，Arria 10元件的第一批樣品則預定在2014年發售，至於新一代架構元件的量產時程則預計在2014上半年。

FPGA業者為進一步搶占光通訊市場，正全力朝向16/14奈米製程前進，並開始研發以FinFET技術為基礎的新一代產品，希冀能精進元件效能與功耗，以滿足市場需求，促使業者之間的先進製程競賽日益激烈；同時，FPGA新一代架構也將與先進製程相輔相成，成為FPGA業者擴大應用市場的關鍵利器。