28-nm-Angriff auf ASIC-Markt Neue FPGA-Familien von Xilinx reduzieren Leistungsaufnahme um bis zu 50 Prozent

Artix-7, Kintex-7 und Virtex-7 heissen die zukünftigen FPGA-Familien von Xilinx, die von TSMC und Samsung in einem 28-nm-High-K/Metal-Gate-Prozess gerfertigt werden. Mit höherer Rechenleistung, geringerem Preis und vor allen Dingen dramtisch geringerer Leistungsaufnahme werden erstmals elektrische Eigenschaften von Mid-Size-ASICs erreicht.

Schon seit Jahren erklären die FPGA-Hersteller gebetsmühlenartig, dass die Zukunft in der programmierbaren Logik liegt, während der ASIC/ASSP-Markt schrumpfen wird. Das Problem, was dem erhofften Wachstum im Wege stand, war die Tatsache, dass FPGAs zwar viele Design-Wins bei Unternehmen erzielten, denen die Flexibilität wichtig war (z.B. weil neue Protokolle integriert werden müssen) und/oder die zu kleine Märkte bedienen, als dass die extrem hohen Entwicklungskosten für ein ASIC gerechtfertigt wären, ihnen der ASIC/ASSP-Markt, für den diese beiden Kriterien nicht zutreffen, jedoch verschlossen blieb.

Dies dürfte sich mit den drei neuen FPGA-Familien, die Xilinx vorstellte und die ab dem 1. Quartal 2011 erhältlich sein werden, ändern. Alle drei Familien basieren auf derselben Architektur und werden in einem High-K/Metal-Gate-Prozess (mit dem Gate-First-Ansatz, den der IBM-Fab-Club entwickelte) bei den Foundries TSMC und Samsung gefertigt. Durch eine identische Architektur kann der Kunde sein Design auf vergleichsweise einfache Art und Weise von einer Familie auf eine andere up- oder downgraden.

Die neue High-End-Familie heisst Virtex-7 und wird bis zu 2 Mio. Logik-Elemente beinhalten, dazu bis zu 72 13,1-Gbit/s-Transceiver, die simultan senden und empfangen können und damit eine serielle Bandbreite von 1, 9 Tbit/s bedeuten (13,1 Gbit/s x 2 x 72 = 1,9 Tbit/s). Getaktet werden können sie bis zu 600 MHz. Durch diverse Maßnahmen neben der geschrumpften Prozesstechnik wie erweitertes Clock-Gating, partielle Rekonfigurierung, dem Abschalten von ungenutztem Block-RAM, die wechselseitige Deaktivierung von Input- und Output-Puffern bei IOs, den Einsatz von drei unterschiedlichen Transistor-Arten für die Leckstromreduktion und dem Einsatz von Hard-IP-Blöcken (diese sind kleiner und energiesparender als eine Implementierung in den Logik-Elementen) konnte gegenüber den aktuellen vergleichbaren Virtex-6-Bausteinen in 40/45-nm-Technologie eine Reduktion der Leistungsaufnahme um 50 % erreicht werden. Besonders die statische Leistungsaufnahme wurde um 65 % reduziert, was auch dem Low-Power-Prozess von TSMC geschuldet ist.

Im dynamischen Betrieb beträgt die Reduktion 25 % + x, wobei x von den verwendeten Hard-IP-Blöcken abhängt, die I/O-bezogene Leistungsaufnahme sinkt um 30 %. Falls ein Kunde mit dem "aktuellen" Power-Budget für die Virtex-6 zufrieden ist, kann er folgerichtig mit den Virtex-7-FPGAs doppelt soviele Logik-Elemente einsetzen wie bisher oder die Taktfrequenz erhöhen, ohne dieses zu sprengen.

Erstmals werden dank dieser Verbesserungen elektrische Eigenschaften erreicht, die bisher ASICs vorbehalten waren. Ein Beispiel ist eine 300-G-Interlaken-Brücke (Bild), die typischerweise in einem 65-nm-Prozess ausgeführt wird. Das ASIC beinhaltet rund 10 Mio. Gatter (was beim FPGA rund 690000 LEs entspricht), hat eine I/O-Bandbreite von 1,2 Tbit/s und nimmt 30 W auf. Ein Virtex-7-FPGA erreicht 1,6 Tbit/s und nimmt dabei 30,4 W auf - Werte die mit dem Virtex-6 unerreichbar waren.

Ohne die zuvor erwähnten Maßnahmen bezüglich der reduzierten Leistungsaufnahme wären durch den 28-nm-LP-Proezss alleine 42,2 W fällig geworden. Mit anderen Worten: Ein Virtex-7-FPGA ist nicht nur flexibler als ein ASIC, sondern es kann erstmals auch den den wichtigen Parametern Kapazität, I/O-Bandbreite und Leistungsaufnahme mithalten. Weitere Zielmärkte sind u.a. 400-G-Linecards für optische Netzwerke, Radar- und Supercomputing-Systeme.

Die zweite Familie heisst Kintex-7 und positioniert sich in der Leistungsklasse des Virtex-6. Dabei ist es jedoch 50 % billiger und nimmt 50 % weniger Leistung auf. Eine typische Anwendung ist ein Wireless-Multi-Mode-Radio (Bild), wo die Kunden auf eine Redktion der Investitions- und vor allen Dingen Betriebskosten achten.

Gegenüber einer integrierten Lösung in einem FPGA des Typs Virtex-6 LX75T-FF784, das bei 368 MHz rund 8.7 W aufnimmt, reduziert ein zukünftiges Kintex-7 K70T die Anschaffungskosten um 70 % und bei gleicher Taktfrequenz die Leistungsaufnahme auf 4,48 W. Ein weiterer angenehmer Nebeneffekt: Das Kintex-7 kann bis auf 491 MHz hochgetaktet werden, was auch eine Unterstützung von 4-G-Systemen ermöglichen würde.

Weitere Zielmärkte sind 3-D-Fernseher und 100-G-Linecards für optische Netzwerke.

Das Artix-7-FPGA ist von der Leistung am unteren Ende der Skala angesiedelt und auf extrem niedrige Leistungsaufnahme optimiert. Im Vergleich zum heutigen Spartan-6 bietet es rund 30 % mehr Leistung, 35 % geringere Anschaffungskosten, 50 % weniger Leistungsaufnahme und eine um 50 % reduzierte Chipgröße. Ein interessantes Anwendungsbeispiel ist eine digitale Spiegelreflexkamera, für die FPGAs bislang auf Grund des zu schlechten Preis/Leistungs/Energieverbrauchs-Verhältnisses nur sehr bedingt geeignet waren.

Eine heutige Lösung eines großen japanischen Kameraherstellers zeigt das Bild: Da sich die Entwicklung eiens ASICs wirtschaftlich nicht lohnte, musste auf 9 ASSPs zurückgegriffen werden, um das Wechselobjektiv anzusteuern. Diese Lösung kostete rund 15 US-Dollar, nimmt 900 mW Leistung auf und hat hat eine Gesamtfläche von 655 mm2. Mit einem Artix-7-FPGA des Typs A20-CPG236, das weniger als 5 US-Dollar kosten wird, werden nur noch 575 mW aufgenommen und 100 mm2 Fläche belegt. Weitere Zielgruppen sind z.B. tragbare Ultraschallgeräte, die maximal 2 W aufnehmen dürfen, und Automobil-Infotainment-Systeme.

Wenn man bedenkt, dass die Entwicklungskosten eines ASICs in 65-nm-Prozesstechnik einen Markt von 500-600 Mio. US-Dollar voraussetzt, könnte Xilinx mit den neuen Bausteinen tatsächlich signifikante Marktanteile gewinnen. Vin Ratford, Senior Vice President bei Xilinx, rechnet daher auch mit jährlichen Umsatzzuwächsen im zweistelligen Prozentbereich.