世界上最大的FPGA又双叒叕上新了
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老石在之前的文章中曾介绍过，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。
（图片来自赛灵思）
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。
（注：本文仅代表作者个人观点，与任职单位无关。）
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