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Altera公司近日發布了該公司的最新產品Stratix V FPGA。Altera公司產品和企業市場副總裁Vince Hu先生專程來京，介紹這款產品的開發背景、性能優勢和目標應用。 對帶寬的渴求 Hu先生介紹說，通信、廣播、云計算和軍事領域對帶寬的需要越來越大。移動互聯網對帶寬的需求以每年50%以上的速度增長，骨干網上40G和100G的系統應用越來越多，而且很快會演進到400G。然而，設備的升級往往需要在現有條件下完成，也就是說，系統的尺寸和供電條件不能發生變化，這就需要系統具備更高的集成度。廣播領域對1080P高清設備的需求和數字影院對4K2K高清晰度的需求也要求設備制造商在成本和功耗上下功夫。軍事信息系統需要更多的高精度傳感器，它們產生的數據必須快速傳輸到決策點。云計算需要大的帶寬和低處理時延，以將數據盡快發送到服務器并將處理結果分發到用戶端。從成本角度考慮，目前服務器的運行成本已經接近服務器的購買成本，而帶寬和功耗是影響運行成本的重要因素。 Stratix V性能優勢 今年年初，Altera曾公布了三項創新技術，旨在打破目前和未來系統的帶寬瓶頸。這三項技術分別是：嵌入式HardCopy模塊、部分重新配置和28Gbps收發技術。目前Altera發布的Stratix V引入了28Gbps收發器技術，可提供1.6T的串行交換能力。另外，存儲器接口性能和數目也有所提升，數字信號處理模塊也有所增強，單片處理能力可達1840GMACS或1000G的浮點運算能力。 Stratix V采用臺積電的下一代28納米高性能工藝制。Hu先生說，Altera與臺積電的合作已有17年歷史，并在40納米節點上首先實現大規模量產。28納米的Stratix V將采用HKMG最新工藝，可提升35%的性能、降低30%的功耗，同時獲得更高的收發器性能。 Stratix V內核上也有許多創新之處。它引入了業界第一個精度可變的DSP模塊，內核的邏輯模塊的速度也有所增強。片上性能更高，同時有更多片上存儲模塊。業界最強的硬IP集成使成本和功耗更低。Hu先生說，Stratix V性能提升主要表現在三個方面。首先，I/O可提供更高的帶寬；其次，內核功能更強；最后，功耗和成本更低。 從I/O方面來看，Stratix V最多可包含66個收發器，每個收發器可支持的數據速率可達12.5Gbps，直接驅動背板和光模塊。存儲器的接口的性能和數量也有所提高，單個DQ線達到1.6Gbps，可提供高達7組72位800MHz的DDR3接口。 內核方面，器件密度更高，邏輯單元最多可達1.1M，片上存儲器達到53比特，比上一代提高了一倍。高性能、精度可變的DSP最多可以提供3680個18x18乘法器。另外，Stratix V集成了很多硬核IP。 功耗和成本方面，Stratix V采用的第三代可編程功耗技術、28納米線寬更低的內核電壓以及最底層定制的三極管這三個因素共同作用，使系統功耗大幅降低30%。對于收發器而言，當通道的功耗低至200mW。此外，HardCopy V ASIC可進一步降低功耗，節能可達50%。 內核的改進 新的ALM架構增加了兩個寄存器，提升了邏輯效率和性能。最大密度的Stratix V 提供多達800K額外的寄存器，適合需要大量流水和豐富寄存器的設計。Altera對片上存儲進行了重組，采用M20K，單塊容量20K比特（上一代是M9K、M144K）。因此，Stratix V可以提供高達53M的片上RAM。 DSP模塊 Stratix V的DSP不僅性能得到提升，精度也得到了提升。實際應用對精度的需求是變化的。比如在視頻處理中的數據處理通道上，最開始的節點可能只需9x9比特，但末端可能需要18x18比特。無線和醫療應用可能需要更高精度的乘法器，軍事應用中還需要一些復雜的浮點運算。Stratix V的乘法器本身可以支持9x9、18x18、27x27比特，同時支持更高的36x36、54x54精度模式。Altera是第一家支持可變精度DSP Block的廠商。Stratix V的其他特性包括硬化系數寄存器和硬化預加器，累加寬度可達64比特，適合浮點運算。 HardCopy模塊 Stratix V集成了嵌入式的HardCopy模塊，可實現定制的IP，極大提高了整個芯片的密度。HardCopy模塊密度達到14M ASIC門數，等效于700K邏輯單元。在實現同樣功能的時候，采用HardCopy模塊可以降低65%的功耗，而性能提升兩倍。Stratix V所提供的HardCopy模塊與其他公司的硬IP不同；HardCopy定制IP的周期是3到6個月，遠低于其他廠商的12到18個月。 Stratix V做到了硬IP的最高集成度，比其他廠商提供更多的硬IP支持。以I/O接口協議為例，Stratix V具備第一、第二和第三代PCIE硬IP、10G/40G/100G以太網協議、Interlaken IP和CPRI/OBSAI硬IP。 市場應用 Altera此次推出了4款Stratix V產品。這些型號產品包括： • Stratix V GT FPGA，業界唯一面向100G以上系統，集成28-Gbps收發器的FPGA • Stratix V GX FPGA，支持多種應用的600-Mbps至12.5-Gbps收發器 • Stratix V GS FPGA，600-Mbps至12.5-Gbps收發器，適用于高性能數字信號處理(DSP)應用 • Stratix V E FPGA，適用于ASIC原型開發和仿真以及高性能計算應用的高密度FPGA Hu先生重點講解了Stratix V在以太網線卡和OTN4 Muxponder應用中如何提升系統性能、減少元器件數量和降低系統功耗。 以太網線卡 目前，100G端口的系統正在被采用，設備供應商尋求進一步降低功耗和成本的途徑。對于多個100G接口的應用，線卡的面積和光模塊的價格成為障礙。如果采用只需4個28Gbps收發器的Stratix V，成本和體積可減少30%，收發器功耗可降低50%。Stratix V集成了眾多的硬IP，如以太網和interlaken，可節省420K邏輯單元，功耗可降低65%。Stratix V可以實現300G單片解決方案，總功耗為25瓦。 
OTN4 Muxponder 包括中國制造商在內的很多制造商都涉足OTN4 Muxponder。在100G Muxponder應用中，用戶可以有多個數據可變、多種協議的數據流。進入系統之后，多個數據流會匯聚成單一的OTN4數據流。在下圖所示的應用中，最前端的處理如組幀、包處理可以通過專用芯片實現。后續的Muxponder傳統上通過FPGA來實現，因為它需要支持動態協議配置、數據映射和可變數據流支持。除此之外還需要多個線路驅動器。 由于專用芯片不能直接驅動光模塊，對于十個客戶端的端口，傳統上需要十個不同的端口時鐘，還需要多個光模塊驅動芯片。Stratix V FPGA則可以做到單片集成。前面的多客戶接口可以被吸收到FPGA里，因為Stratix V具備部分重新配置功能，只需在任何端口工作的時候把它所需要支持的協議部分的邏輯激活，極大地提高了整個系統的邏輯效率。通過片上PLL，可以省去片外眾多的壓控振蕩器。由于Stratix V收發器可以直接驅動各種光模塊，所以也可以替代外部的線路驅動器專用芯片。相對于目前可用的FPGA而言，Stratix V支持的單芯片解決方案可以降低50%的成本和30%的功耗。
作者：郭慶春 |
