“世界最大 FPGA”之争，英特尔与赛灵思谁能赢？

赛灵思在八月下旬发布了当时世界上最大的 FPGA 器件：Virtex UltraScale+ VU19P。

这款 FPGA 基于台积电的 16 纳米工艺制造，它集成了 350 亿个晶体管，并拥有当时单器件最高的逻辑密度和 I/O 数量：超过 2000 个用户可编程引脚、9 百万可编程逻辑单元、224Mb 片上内存以及 3800 个 DSP 单元。对比它的前一代产品，即基于 20 纳米工艺的 Virtex UltraScale 440 FPGA，这款 VU19P 要更大 60%。

然而，赛灵思的 VU19P 只占据了“世界最大 FPGA”这个宝座不到三个月的时间。十一月上旬，英特尔宣布推出 Stratix10 GX 10M FPGA，并一跃成为当前世界上最大的 FPGA 芯片。

（图片来自英特尔）

与赛灵思 VU19P 的 350 亿晶体管、900 万可编程逻辑单元（LE）、2072 个可编程 I/O 引脚相比，英特尔 Stratix10 GX 10M 基于自家的 14 纳米工艺制造，有着 433 亿晶体管、1020 万可编程逻辑单元，以及 2304 个可编程 I/O，在这几个方面都完胜 VU19P。

（图片来自英特尔）

在此之前，英特尔最大的 FPGA 器件是 Stratix 10 GX 2800，它有着 275 万个可编程逻辑单元以及 1160 个可编程 I/O。另外，英特尔的器件 FPGA Agilex 也有两百万左右的可编程逻辑单元。与这两款器件相比，Stratix10 GX 10M 的容量暴涨将近 4 倍。

（图片来自英特尔）

关于“世界最大 FPGA”之争，一方面是由于超大型 FPGA 在硬件仿真和原型验证领域有着不可或缺的作用，这在之前的文章已经详细分析过；另一方面，这更像是芯片厂商在“秀肌肉”，因为制造这种超大型芯片需要复杂的系统集成和封装技术。

对于赛灵思而言，它们一直采用的是所谓的堆叠硅片互联技术（SSI），这种技术的最主要缺点是多个硅片之间存在硬边界，它们只能通过硅中间层进行互联和通信，从而导致明显的性能瓶颈。这在《3D FPGA 技术：延续摩尔定律的黑科技》中有过详细阐述。在赛灵思最新的 ACAP 器件中，就针对性的对这个问题进行了优化。

相比之下，英特尔使用的是 3D 系统级封装技术，其核心就是 EMIB，也称为嵌入式多管芯互联桥接。EMIB 没有引入额外的硅中介层，而是只在两枚硅片边缘连接处加入了一条硅桥接层（Silicon Bridge），并重新定制化硅片边缘的 I/O 引脚以配合桥接标准。与 SSI 相比，EMIB 有两个明显的优点，即系统制造复杂度大幅降低，且硅片间传输延时大幅减少。关于 EMIB 的更多技术细节，请参见老石之前的文章。

EMIB 在 Stratix 10 FPGA 上早已有应用，例如在 MX 系列中，就通过 EMIB 集成了所谓的“3D 堆栈式高带宽内存”，也就是常说的 HBM。此外，EMIB 还可以用来连接各类收发器单元（英特尔称其为不同的 Tiles）。这种基于 EMIB 的异构集成方式非常灵活，它使用芯片集的方式，使得相同的 FPGA 硅片可以搭配不同的收发器、HBM、CPU 等单元，进行快速的系统级芯片集成。

（图片来自英特尔）

在这次发布的 Stratix10 GX 10M 中，英特尔首次将两个拥有 510 万可编程逻辑单元的大型 FPGA 硅片通过 EMIB 相连，由此形成一个超大 FPGA。这两个 FPGA 硅片通过 25920 个 EMIB 数据接口进行互联，其中每个数据连接可以提供 2Gbps 的吞吐量，因此系统整体的通信吞吐量高达 6.5TBps。这事实上是在宣布 EMIB 技术完全可以处理超高带宽的吞吐量需求。

这次推出的 Stratix10 GX 10M （图片来自英特尔）

英特尔 FPGA 采用的 3D 系统级封装技术对芯片的良率有着较高的要求，因为它虽然是异构集成技术，但依赖于每个组成部分的同构性。也就是说，FPGA 的可编程逻辑阵列本身是一整片硅片。但通过这次发布的 Stratix10 GX 10M 我们可以看到，EMIB 也可以开始用来作为同构芯片的互联技术，这样就大幅扩展了这种 3D 封装技术的适用程度。此外，单个 FPGA 硅片已经可以做到 510 万个逻辑单元，这也说明英特尔 14 纳米工艺已经非常成熟。

值得注意的是，EMIB 并不是英特尔唯一的 3D 互联和集成技术。在今年初，英特尔就公布了一项名为 Foveros 的真*3D 封装技术，它可以将诸如 CPU、GPU、DRAM、Cache 等功能单元的裸片堆叠在一起，然后再封装成为一枚完整的芯片。Foveros 将在英特尔基于 10 纳米工艺的 Lakefiled 上采用。

（图片来自英特尔）

结语
虽然很多人将 FPGA 比作积木，可以用来实现各种应用，但制造 FPGA 本身并不像搭积木那样简单。从这个“世界上最大的 FPGA”里，我们可以看到太多蕴含其中的尖端科技。老石相信，不久的将来必然会出现更大、更复杂的 FPGA 器件，而驱动它出现的技术，也将不断推动科技和文明的延续。