先進製程添臂力　FPGA強化智慧網路設備效能

賽靈思這次採用如同在28奈米技術節點的相同作法，在推出的新產品陣容中加入許多創新技術。首先，推出新一代UltraScale架構，該架構將採用20奈米、16奈米鰭式場效電晶體(FinFET)等更先進的技術(圖1)。透過UltraScale架構，20奈米和16奈米FinFET All Programmable元件能夠提供大量輸入/輸出(I/O)和記憶體頻寬，並可支援最快速的封包處理和數位訊號處理器(DSP)處理、類ASIC時脈、電源管理和多層級安全性。

圖1　3D結構的FinFET電晶體(b)，可為新一代FPGA增添強勁效能。(a)為傳統平面式電晶體結構。

搭配Vivado設計套件　UltraScale架構大顯身手

全新UltraScale架構提供幾百項加強功能，其中有許多功能是隨著Vivado設計套件開發才得以改善的，例如進階的Vivado布局與布線功能可幫助客戶完全發揮UltraScale的大量數據處理功能，設計團隊亦能將UltraScale的元件利用率提升到90%以上，且能滿足嚴格的效能和功耗要求。

對20奈米FPGA而言，UltraScale架構能夠針對龐大的資料流，提供最佳化的寬型匯流排，支援客戶開發出具有多重兆位元的資料傳輸量及最低延遲率的系統。

藉由與Vivado的協同最佳化，UltraScale架構能夠提供高度最佳化關鍵路徑與內建式高速記憶體層級，突破各種DSP與封包處理的瓶頸。加強功能的DSP子系統採用新型27×18位元放大器、雙重加法產生高度最佳化關鍵路徑，並可顯著提升定點及IEEE-754浮點運算的效能與效率。寬型記憶體建置方案亦適用於UltraScale架構的3D IC晶片上，進而顯著改善晶片間的頻寬問題，甚至可提高整體效能。

UltraScale架構支援多區域時脈　有助建置低功耗時脈網路

UltraScale元件也能進一步強化I/O和記憶體頻寬，包括支援新一代記憶體介面技術，以大幅降低延遲率並可針對I/O效能進行最佳化。該架構亦包含10/100G乙太網路、Interlaken和PCIe等多種硬式ASIC級矽智財(IP)核心。

此外，UltraScale架構也支援普遍應用於ASIC級產品中的多區域時脈。多區域時脈能使設計人員在其系統中建置高效能、低功耗且時脈偏移極低的時脈網路。

UltraScale架構與Vivado設計套件的協同最佳化，亦能幫助設計團隊在具備多種功能的賽靈思20奈米All Programmable元件中，運用更多電源閘控技巧進一步降低設計案的功耗。

值得一提的是，由於UltraScale架構支援加密標準(AES)位元流解密與驗證、金鑰混淆處理以及設計安全設備程式等方式，能提供業界中最高等級的系統安全防護。

UltraScale元件協助設計團隊達到高系統整合度的同時，也可讓整個系統發揮最大的效能、降低整體功耗，並減少系統物料清單(BOM)成本。儘管最初FPGA僅僅被視為其中一種可取代邏輯元件的替代方案，但在28奈米、20奈米和16/14奈米FinFET製程技術，以及UltraScale和Vivado開發工具的助力下，FPGA的價值已超越人們當初對於FPGA產品價值的期待。

賽靈思20奈米和16奈米FinFET的UltraScale架構元件能夠在眾多應用市場中充分滿足不斷湧現的需求，例如光纖傳輸網路(OTN)、高效能網路運算、數位影像和無線通訊等(圖2)。以上這些領域對於產品效能、成本、低功耗和大型整合的要求皆與日俱增。

圖2　UltraScale架構將加速不同類型系統的下一代產品，尤其是有線和無線通訊領域的系統開發。

UltraScale架構發威　FPGA打造智慧型光網路

由於數據流量需要大規模建置以打造更先進的有線網路設備，光纖傳輸網路(OTN)市場目前正朝著更智慧型網路的發展，將資料傳輸速率從目前的100Gbit/s快速進級到400Gbit/s，甚至在未來能達到1Tbit/s的傳輸速度。

傳統的商業方式是大量更新更快的設備以滿足需求；但現今的網路業者會尋求更智慧的方法來建置網路，並改善已安裝完成的網路，同時尋求更佳的方法來控制成本。上述的作法皆可大幅改善服務並提高獲利。

舉例來說，資料中心市場將軟體定義網路(SDN)視為可將網路利用率最佳化和降低成本的方式之一。SDN讓網路系統管理員能透過雲端和虛擬網路，提供連接到任何形式網際網路設備的資料路徑。支援SDN的硬體須具備高度靈活性、可靠度與高效能，同時也要具備更高的可編程設計性與處理功能。

雖然網路業者正在開發下一代的軟體定義網路，但客戶仍希望延長現有設備的使用時間。網路業者運用賽靈思28奈米的Virtex-7 F580T 3D IC在光纖傳輸網路交換器中建置單晶片CFP2光學模組，可以倍數增加網路的頻寬。

而賽靈思也利用UltraScale架構推出整合度更高、更創新的元件，協助企業打造能驅動多個CFP4光學模組的系統，進而讓數據流量能大幅提升(圖3)。

圖3　UltraScale架構能支援更高效能、更低功耗的單晶片CFP4光學模組，將透過低成本的換卡方式大幅度升級並改善現有的OTN設備效能。

高畫質數位視頻/廣播勢起　UltraScale架構推陳出新

數位影音是另一個正值大規模擴充的市場。高畫質電視(HDTV)製造商及其支援廣播基礎架構正快速建置1,080p、4K×2K乃至8K的視訊應用，包括攝影機、通訊和製作設備等。電視不僅須要滿足新興標準的要求，同時還必須具備豐富的功能與合理的定價。

面臨市場高度競爭的同時，產品設計必須能快速因應不斷改良的標準要求，因此能否協助製造商生產具差異化功能的電視產品，就顯得格外重要。

另外，隨著電視的規格將有1,080p、4K×2K至8K轉變，螢幕解析度和畫質也將隨之大幅提升，但使用者仍追求更輕薄型的電視。這意味著新型電視產品的設計需要更高的整合度，同時也要滿足消費市場對效能、功耗和物料成本的要求。

為滿足4K×2K至8K的影音要求，廣播設備須要大幅改良。對客戶而言，他們最需要的莫過於系統的靈活度與可升級性。廣播設備的標準不斷演變，但能支援這些標準的設備往往十分昂貴，而且也無法輕易更換。

因此，廣播公司對採購設備更為審慎，更長的系統生命週期和可升級能力成為他們的首要考慮。因此，使用All Programmable元件的設備對下一代廣播市場而言是勢在必行，例如體育賽事所用的攝影機、控制室裡的製作設備，甚至客廳的電視機等都須採用這樣的設備。

圖4說明中階Kintex UltraScale元件如何協助專業級和「專業消費級」的攝影機製造商將新產品快速上市，而且具備可支援4K×2K和8K標準的高階功能，同時要大幅降低成本、縮小產品尺寸和減輕重量。

圖4　UltraScale架構能協助專業和消費級攝影機製造商加速推出8K攝影機，並同時降低功耗、減輕重量、提高效能，並降低物料清單成本。

行動通訊市場成長快速　營運商瞄準C-RAN網路架構

行動通訊無疑是電子產業發展最迅速的市場。在過去10年，行動設備的使用量增加十倍，預計未來10年使用量將繼續激增，電信業者必須設法在競爭激烈的市場中吸引客戶。在行動通訊市場，無線覆蓋範圍和網路效能是決勝的關鍵因素，因此電信業者也將持續開發速度更快且能快速傳輸大量資料的網路設備。

在這種情況下，電信業者也可購買更多高效能的基地台，但在競爭對手推出更具成本效益的服務計畫時，基礎架構的興建和設備的保養維護將會削減公司的獲利。無線通訊營運商的經營狀況和有線通訊電信公司非常類似，無線電信業者也正積極尋求更有智慧的經營模式和創新的網路架構。

雲端無線接取網路(C-RAN)正屬於此類創新的網路架構，能協助電信業者彙整各個基地台的相關處理資源，並在雲端進行基頻的處理。電信業者能將資源自動分配到現場直播體育賽事附近等頻寬需求較高的地區，並在人群疏散後將資源再次移轉到其他區域。這種資源利用方式可有效改善客戶的服務品質、降低電信業者的營運成本，同時提高獲利能力。

建置可運作的C-RAN架構需要精密、靈活度高的系統級晶片，可整合高速I/O、平行與序列處理功能，而賽靈思的UltraScale FPGA和SoC元件在此建置過程中就發揮其關鍵性作用。賽靈思正在建置UltraScale架構的20奈米Kintex和Virtex All Programmable FPGA、3D IC和Zynq All Programmable SoC元件，同時亦採用台積公司的16奈米FinFET製程技術來開發Virtex UltraScale元件。

(本文作者為賽靈思《Xcell雜誌》發行人)