下一代 FPGA 有望实现突破性优势
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大量的电信基础设施成指数增长的带宽需求以及各行业使用这些带宽的需求使得现有硬件和软件解决方案很难满足性能要求，也难以达到成本和功耗目标。AS I C、AS S P和独立处理器遇到了发展瓶颈，P L D公司很难解决固有的成本问题。而同时，大量最终应用对带宽的要求越来越高，要求P L D公司使用不同的工具和选择来满足各种需求。使用这些选择并且能够高效应用它们的P L D公司将为硬件和软件开发人员带来突破性优势，帮助他们开发下一代产品。
日益增长的带宽和灵活性需求促使功能实现突破
智能电话和其他便携式设备越来越多的功能是促使系统性能大幅度提高的原因所在，下一代F P GA将体现这些系统性能。移动带宽的爆炸式增长对无线、固网和数据中心体系结构功能产生了巨大的需求。智能电话数量呈（个位百分比）增长，而智能电话的功能越来越多，这些设备的用户不断要求提高带宽。这主要是高质量视频宽带需求。2 0 1 2年，智能电话数据平均使用量增长了8 1 %。思科预计到2 0 1 7年，移动流量每年会增长6 6 %，三分之二的移动流量是视频内容。此时，移动网络速度将会提高7倍，4 G网络承载了4 5 %的流量（ 1 ） （见图1 ）。
AS I C和AS S P应用面临越来越大的商业挑战
AS I C设计需要更长时间投放市场、很高的前端资金投入以及大批量产出才能实现回报等，这些因素使得AS I C的投入风险非常大，只有很少的公司会承担这种风险。对于2 8 n m AS I C，AS I C工具模板和封装的流片（ NRE ）成本、知识产权（ I P ）许可以及物理设计服务等成本很容易超过1千万美元，在很多情况下，2 0 n m或者 1 4 n m F P GA能够解决这些问题。相对于AS I C，虽然目前的F P GA需要严格的仿真验证方法，但是，与标准单元AS I C设计相比，实验室测试以及能够对F P GA重新编程等有效地降低了人工投入。F P GA组件价格虽然可能高于同样复杂的AS I C，但是应该考虑总体拥有成本。标准单元AS I C的收支平衡点在不断提高，前沿CMOS技术使得F P GA更复杂，性能更好，功耗更低，而这是AS I C难以实现的。
与F P GA和AS S P相比，低成本工艺节点会降低AS I C的优势，这是因为这些解决方案会把客户集中到更先进的工艺节点上，更具价格和性能竞争优势。目前的FP GA使用2 8 n m工艺，很快将采用2 0 n m以及更小的工艺技术。但是，大部分新AS I C设计要落后2？3个节点，甚至更多。差距越大，F P GA在价格、性能和集成度上就越具有吸引力。见图2。
硬件规划人员以前能够借助越来越高的处理器频率和越来越多的处理器内核来提高他们下一产品的系统性能。但是现在，由于处理器频率并没有随时间大幅度增长，而且通过增加处理器内核数量以实现并行工作无法解决性能瓶颈问题，因此，硬件规划人员不能再采用这一方法来提高性能。很多硬件规划人员的解决方案是开发专用硬件，以解决这些软件瓶颈。
开发处理器使用的专用增强I P有助于解决这些难题。但是，竞争公司也可以使用让AS S P优于前一代产品的硬件加速功能。此外，无法通过使用A S S P来解决某些特殊软件的瓶颈。
AS S P的关键优势在于产品快速面市，但并不总是如此。需要AS S P特殊功能的小公司无法获得他们最需要的型号或何时将产品投放市场。大公司也得依靠供应商为他们提供所需要的产品。但是，他们能得到这些型号产品，其他公司也能得到。F P GA是克服这些AS I C和AS S P固有问题的好方法，在今后的产品中甚至能进一步增强功能。
前沿工艺
半导体供应商投资于前沿工艺，他们的关键优势是拥有高级工艺技术。例如，新的3 - D晶体管技术，它也被称为三栅极或者F i n F E T晶体管技术，是工艺技术的新突破（见图3 ）。其晶体管泄漏降低了两倍，能提高性能或增强功率。
如果需要了解详细信息，请参考“F P GA采用三栅极技术，实现突破性优势”白皮书。
大部分工艺技术代工供应商还没有开发或者发售任何3 - D F i n F E T或者三栅极晶体管技术产品。在本文出版之际，I n t e l是唯一发售3 - D晶体管技术产品的制造商。2 0 1 3年年初，I n t e l已经发售了1亿多片产品。如果可编程解决方案公司能够迅速高效的采用这些产品，就能够大幅度提高性能。而且，客户需要提高产品性能不仅可以利用这一3 - D晶体管技术，而且会受益于今后越来越简单的工艺。最近的I n t e l 1 4 n m三栅极工艺提供了这一工艺技术。
事实是，没有一种工艺技术能够满足目前终端设备的各种需求——即使是工艺尺寸最小或者最“先进”的工艺。F P GA和其他可编程S o C产品供应商如果只依靠能够满足所有需求的方法，那么，这对客户非常不利。产品及时面市、成本、与其他组件的系统集成和产量等因素会促使采用其他工艺技术。例如，新的工艺节点很可能无法很好的支持高电压I / O。其他类型的工艺节点在每I / O单位成本上会有较强的优势。因此，1 4 n m三栅极工艺是极低功耗实现最佳内核性能的基础，但并不一定是所有人的最优方案。其他工艺技术能够完善I n t e l的1 4 n m三栅极工艺，例如，T S MC的2 0 S o C和5 5 E mb F l a s h。
例如，TS MC的2 0 S o C工艺支持客户在产品中采用下一代F P GA，从2 0 1 4年开始，可投入到大批量宽带基础设施市场上。客户的内核性能得到了提高，与目前大批量应用的功能相似的F P GA相比，系统可以运行在5 0 0 MHz以上，其ARM处理器高达1 . 5 GHz，而功耗降低了5 0 %。这一2 0 n m工艺是客户满足关键目标的基础，例如，电信、数据中心和其他应用所要求的单位比特成本和每瓦性能。嵌入式闪存工艺等其他工艺支持系统设计人员获得单位I / O引脚最低成本，支持低功耗解决方案，还可以采用模拟电路和非易失闪存，而这是其他工艺在经济上无法实现的。
如果需要了解更详细的信息，请参考“采用第1 0代满足Z e t t a b y t e时代的性能和功耗需求”白皮书。
体系结构和I P
为满足比当今应用高出4倍的带宽性能需求，应采用更先进的工艺技术。这需要新的逻辑体系结构、新I P，以及新的串行连接等。
下一代体系结构与前沿工艺技术相结合，能够显著提高内核性能。例如，Al t e r a最近了新的高性能体系结构。与I n t e l的1 4 n m三栅极工艺结合后，其内核速率达到了令人吃惊的1 GHz。这一体系结构极大地提高了数字信号处理（ D S P ）能力。这些D S P模块已经应用于F P GA中，而浮点运算的效率会更高。F P GA支持其性能达到每秒1 0兆次浮点运算（ t e r a F L OP S ）。将提供每瓦每秒1 0 0 G浮点运算（ GF L OP S ） ，是性能最好、功效最高的解决方案之一。这对于现有DS P或者图形处理单元（ GP U）是无法相像的。这将在金融、能源、云数据分析等高性能、大数据量计算应用中实现突破。
通过提高数据速率、通道数量，包括更多的硬核特性，也将大幅度提高串行带宽。F P GA公司宣布其下一代收发器技术数据速率将达到5 6 Gb / s。Al t e r a等公司目前提供的F P GA的单片收发器数据速率是2 8 Gb / s。单单下一代FP GA的2 8 Gb / s通道数量就将增加4倍，实现下一代1 0 0 G光接口的多个例化，例如CF P 2、CF P 4和 Q S F P 2 8等。采用自适应判决反馈均衡器（ DFE ）等增强信号调理技术，即使是在电噪声环境中，收发器也能满足高损耗背板应用需求。而且，使用增强前向纠错（ FE C ）等技术，能够克服3 0 d B通道损耗，延长背板传输距离，支持使用低成本材料，而不会牺牲系统误码率（ BE R ）。功能的增强提高了收发器的可用性。例如，硬核物理编码子层（ P CS ）模块可以处理8 b / 1 0 b和6 4 b / 6 6 b等多种编码方法，还为I n t e r l a k e n和1 0 G b / s以太网（ G b E ）数据流提供关键的处理功能。而且，为P C I E x p r e s s （ P C I e ） G e n 1、G e n 2和G e n 3提供全面的协议栈。今后的F P GA将大规模采用串行存储器。串行存储器接口采用了1 0？1 5 Gb / s高速串行收发器，克服并行存储器接口的带宽、延时和功耗局限。见图4。
虽然某些应用需要最新的体系结构、I P和串行技术，例如，4 0 0 G解决方案，但是，这对于其他应用不一定是最优方案，反而有可能影响其功耗和成本目标。有必要针对不同的F P GA和不同的应用而有选择的使用这些技术。
下一代F P G A和S o C即将出现
2 8 n m工艺节点之后率先下一代P L D的公司是Al t e r a，推出了1 0代系列产品。Al t e r a使用了定制方法，所有P L D提供商在其各种低成本、中端和高端产品系列中广泛使用了不同的工艺技术、不同的体系结构和I P以及不同的集成方法。1 0代系列产品的部分器件系列还没有，的S t r a t i x 1 0和Ar r i a 1 0 F P G A和S o C能满足一部分需要中速收发器的应用以及需要多种2 8和5 6 Gb / s收发器的应用。通过在这两种器件系列中采用定制方法，F P GA大幅度增强的功能是硬件规划人员和系统设计人员还未预见到的。
A r r i a 1 0 F P G A和S o C的性能特点：
结论
很多市场领域的硬件规划人员寻找AS I C和AS S P的替代方法，以及能够满足其带宽、性能、集成度和功耗需求的解决方案。选择F P GA公司，其交付的产品在F P GA上具有前所未有的突破性优势。为能够满足客户在很多最终应用上的需求，还需要各种工具和选择，例如，4 0 0 G数据包处理、无线远程射频单元、数据中心和高性能计算等应用需求。使用了定制方法的产品策略针对不同的应用而采用不同的工艺技术、体系结构和集成选择，为硬件规划人员提供了最好的选择和解决方案。Al t e r a最近的1 0代系列产品通过定制的F P GA和S o C，在多种不同的应用中达到前所未有的增强功能和优势。