Verso la prossima generazione di dispositivi programmabili

SoC interamente programmabili
La prima di questa nuova classe di dispositivi, il SoC (System on Chip) interamente programmabile Zynq-7000 è un SoC che combina tre forme di programmabilità per la personalizzazione di massa del dispositivo: programmabilità hardware, software e I/O. L'idea per la realizzazione del dispositivo deriva dai riscontri dei clienti e dalle lezioni apprese da Xilinx nei molti anni in cui ha fornito Fpga con core di processore sintetizzabili e sintetizzati su chip. A partire dalla fine degli anni '90, Xilinx e la concorrenza hanno iniziato ad offrire core di processori sintetizzabili ai propri clienti, che potevano essere sintetizzati all'interno delle strutture logiche degli Fpga. In questo modo, i gruppi di progettazione sono stati in grado di connettere strettamente l'elaborazione con la funzionalità logica nella stessa matrice ed ottenere gradi superiori di riduzione del costo della Bom. Nella pratica, i progettisti hanno usato molti di questi processori sintetizzabili per macchine a stati dedicate, piuttosto che far girare i sistemi operativi e gli strati software tipicamente associati con i sistemi più complessi. Verso la metà degli anni 2000, con la disponibilità di nuovi processi su semiconduttore che consentivano ai produttori Fpga di offrire dispositivi con capacità superiori, questi ultimi hanno iniziato a migliorare le prestazioni di elaborazione di questi Fpga incorporando core di processori sintetizzati su silicio accanto alla logica Fpga. Xilinx, ad esempio, ha introdotto le famiglie Virtex-4 FX e la successiva Virtex-5 FX, ciascuna delle quali includeva un core di Cpu PowerPC immerso, assieme alla logica Fpga. Mentre le famiglie Virtex FX hanno considerevolmente migliorato le prestazioni dei processori rispetto alle realizzazioni sintetizzabili, esse richiedevano ai gruppi di progettazione di programmare la logica Fpga prima di poter programmare il processore. Una volta che la logica Fpga era programmata, i progettisti quindi dovevano creare le proprie periferiche, i sottosistemi di memoria e in ultima analisi i “sistemi dedicati”, assieme all'associato passaggio da e verso la logica. Mentre i gruppi di progettazione esperti ben ferrati nella progettazione Fpga hanno bene accolto la conseguente spinta nelle prestazioni dei processori, l'architettura era anti intuitiva rispetto alle più popolari metodologie di progettazione dei sistemi dedicati. Imparando da questa esperienza, nel 2008 Xilinx ha iniziato a lavorare all'architettura dei SoC interamente programmabili Zynq-7000 e, ugualmente importante, all'ecosistema associato - i tool di sviluppo e le infrastrutture firmware e software - per semplificare la programmazione del dispositivo. Per il SoC Interamente Programmabile Zynq-7000, Xilinx ha scelto il sistema di processore dual core Arm A9 da 1 GHz, altamente popolare e ben supportato, e ha lavorato con Arm per creare lo standard di interfaccia AXI4 per semplificare la connessione plug and play con core sviluppati da terzi, da Xilinx e dai clienti nella porzione logica dell'architettura. La famiglia Zynq si avvia direttamente dal processore. Questo consente ai progettisti a livello di sistema di lavorare in modo familiare e di aiutare i gruppi di progettazione di avviare subito lo sviluppo software - accelerando il time-to-market. Dato che il processore si avvia per primo, anche i progettisti software non familiari con la logica Fpga o con la progettazione hardware possono iniziare ad usare il dispositivo e forse ad espandere il proprio repertorio di programmazione. Xilinx ha anche dotato la serie Zynq-7000 di un ricco insieme di IP periferici e di I/O programmabili ad alta velocità - fornendo ai clienti non solo un Fpga o un Fpga con un processore, ma per dirla tutta un SoC interamente programmabile. Xilinx ha annunciato l'architettura nel 2010 per fornire ai clienti e ai partner dell'ecosistema un balzo sullo sviluppo del prodotto. La società ha fornito il primo SoC interamente programmabile ai clienti nell'inverno del 2011. Oggi, la domanda dei dispositivi Zynq è al pari delle altre famiglie di Fpga di Xilinx, e gran parte delle applicazioni integrano funzioni di sistema che solevano essere in passato realizzare in componenti Cpu, Dsp, Fpga e Ams separati.

IC 3D interamente programmabili
La seconda delle classi di dispositivi radicalmente nuove di cui Xilinx è stata pioniere in corrispondenza del nodo da 28 nm è la categoria degli “IC 3D interamente programmabili”. Nel 2004, gli Xilinx Lab hanno iniziato a esplorare e in ultima analisi a prototipare l'impilamento di più die al silicio in una configurazione a IC singolo come modo per andare oltre i limiti di miniaturizzazione della Legge di Moore per creare nuovi livelli di integrazione di sistemi programmabili. Gli scienziati di Xilinx hanno creato dei test chip per varie architetture 3D IC, esplorando modi alternativi di impilare die al silicio e di usare fori di via attraverso il silicio per alimentare il die e per supportare la comunicazione fra un die e l'altro. La società ha concluso che l'architettura commercialmente fattibile nel breve termine e più pratica sarebbe quella che Xilinx ha chiamato Ssi (Stacked silicon interconnect). In questa architettura, più die sono collocati fianco a fianco in cima a uno strato passivo di interposizione al silicio, il quale facilita l'interconnessione e la comunicazione fra i numerosi die. Con più di 10.000 interconnessioni che possono essere programmate sul die, oltre alla programmabilità di ciascun die oltre all'I/O, Xilinx ha creato non solo il primo IC 3D commerciale, ma il primo IC 3D interamente programmabile. All'inizio del 2012, Xilinx ha consegnato i primi 3D IC ai clienti. Il dispositivo Virtex 7 2000 T impila quattro fette di logica Fpga fianco a fianco. Il dispositivo ha stabilito un nuovo record per il numero di transistor nell'IC (più di 6,8 miliardi di transistor) in corrispondenza del nodo da 28 nm e ha infranto il record per capacità logica dell'Fpga, offrendo 2 milioni di celle logiche (l'equivalente di 20 milioni di gate Asic). Il componente ha il doppio delle dimensioni rispetto all'Fpga più grande della concorrenza, offrendo oggi essenzialmente un dispositivo con una capacità logica che non ci si sarebbe aspettato fino al nodo di processo da 20 nm. In più, questa architettura a tecnologia Ssi consentirà a Xilinx di offrire una capacità che supera la Legge di Moore anche per i prodotti di futura generazione. I dispositivi Virtex-7 2000T sono stati ricevuti dai clienti che li hanno utilizzati in progetti che includono la prototipazione Asic, i sistemi di storage e di calcolo ad alte prestazioni. Queste applicazioni richiedono tutte la massima capacità di logica programmabile che l'industria può offrire. Tuttavia, Xilinx ha anche esteso la tecnologia 3D IC per servire le applicazioni con le prestazioni più spinte nel mercato delle comunicazioni. Nell'estate del 2012, Xilinx ha annunciato il Virtex-7 H580T, il primo di tre IC 3D eterogenei Interamente Programmabili su misura per il mercato delle comunicazioni. Mentre il Virtex-7 2000T è un IC 3D omogeneo in cui tutti e quattro i suoi die/fette sono composti principalmente da logica Fpga, il Virtex-7 H580T è il primo IC 3D eterogeneo. Per realizzare il Virtex-7 H580T, Xilinx ha posizionato un transceiver 28 G dedicato a fianco di due die Fpga sullo strato di interposizione passivo al silicio. Il risultato è un dispositivo che integra otto transceiver da 28 Gbps, quarantotto transceiver da 13,1 Gbps e 580 .000 celle logiche. Per applicazioni quali una scheda di linea per il trasporto ottico 2x100G basata sul modulo ottico CFP2, il dispositivo Virtex-7 H580T assicura una riduzione di ben 5 chip verso uno nella Bom, e una riduzione dell'area su scheda a questo associata rispetto alle realizzazioni precedenti. Il Virtex-7 H580T è solo il primo dispositivo 3D eterogeneo che Xilinx sta fornendo nella propria famiglia da 28 nm. Il dispositivo Virtex-7 H580T comprende due die di transceiver a otto canali accanto a tre die di logica Fpga su un singolo chip, fornendo un totale di sedici transceiver da 28 Gbpps, settantadue transceiver da 13,1Gbps e 876.160 celle logiche in un chip. Il dispositivo Virtex-7 H870T si rivolge alla prossima generazione di comunicazioni fisse, il mercato dei sistemi 400G. La tecnologia IC 3D di Xilinx consentirà ai clienti di iniziare lo sviluppo delle applicazioni 400G.
 
Al di là della logica di collegamento
Gli Fpga hanno fatto molta strada da quando Xilinx introdusse il primo Fpga sul mercato, l'equivalente di 1000 gate Asic XC2064, nel Novembre del 1985. I primi Fpga, posizionati come un'alternativa ai gate array e agli Asic, erano usati principalmente come “logica di collegamento” per facilitare le comunicazioni fra due dispositivi. Oggi gli Fpga Interamente Programmabili includono non solo milioni di gate di logica programmabile, ma incorporano anche controllori di memoria, I/O ad alta velocità e, sempre più, della circuiteria analogica/a segnale misto.
Con gli Fpga Interamente Programmabili di oggi, i clienti possono creare funzioni di elaborazione di pacchetti, di elaborazione di forme d'onda, di elaborazione delle immagini e di video, o funzioni di calcolo ad alte prestazioni che possono essere riprogrammate dinamicamente nel sistema o essere aggiornate sul campo.
Xilinx ha fornito il primo dispositivo della famiglia da 28 nm, il Kintex-7 K325T, nel marzo 2011 su processo HPL di Tsmc. Ad esempio, tutti gli Fpga di Xilinx da 28 nm includono blocchi analogici/a segnale misto programmabili che riducono ulteriormente i costi per la Bom supportando la realizzazione di funzioni analogiche di sistema all'interno dell'Fpga piuttosto che per mezzo di dispositivi analogici esterni a discreti.