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-- 發(fā)布時間：2010-11-20 8:53:20
-- ASIC 與FPGA比較談
專用集成電路(ASIC)采用硬接線的固定模式，而現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)則采用可配置芯片的方法，二者差別迥異。可編程器件是目前的新生力量，混合技術也將在未來發(fā)揮作用。
與其他技術一樣，有關ASIC技術過時的報道是不成熟的。新的ASIC產品的數(shù)目可能有大幅度下降，但其銷售額仍然相當高，尤其是在亞太區(qū)。此外，采用混合式方法，如結構化ASIC，也為該技術注入了新的活力。同時，F(xiàn)PGA(和其他可編程邏輯器件)也在發(fā)揮作用，贏得了重要的大眾市場，并從低端應用不斷向上發(fā)展。
每種技術都有它的支持者。一般來說，ASIC用于大型項目，而對于需要快速投放市場且支持遠程升級的小型項目，F(xiàn)PGA則更為適合。ASIC和FPGA供應商對這兩種技術孰優(yōu)孰劣不能達成共識，對適合的應用領域也持不同看法。上述技術及其衍生技術將可能在今后一段時間內長期存在。
Altera Corp的高密度FPGA高級總監(jiān)David Greenfield指出，F(xiàn)PGA技術的主要優(yōu)勢仍是產品投放市場的時間較短。他說：“在目前新增的設計方案中，對FPGA的選擇傾向超過ASIC。ASIC技術有其價值所在，它的性能、密度和單位容量都相當出色，不過隨著FPGA的發(fā)展和ASIC的開發(fā)成本不斷上升，將會導致ASIC的市場份額不斷縮小�！痹谏鲜鲒厔葜蟀l(fā)揮作用的，正是FPGA在性能、密度和制造成本上的發(fā)展。
Greenfield指出，高性能曾經是ASIC超出FPGA的優(yōu)勢，當時FPGA在性能和功能上都較遜色。隨著芯片的制造工藝從180nm發(fā)展到130nm甚至90nm，上述情況發(fā)生了很大變化，現(xiàn)在FPGA的性能已經能夠滿足大多數(shù)應用的需要（要求最高的應用除外），而密度水平則達到邏輯設計的80%。他解釋說：“某些系統(tǒng)設計師也認識到，ASIC的市場領域在于極高性能/密度的產品，這種市場領域風險非常大。NRE（非重復性工程設計）和開發(fā)成本對這種設備而言是最高的�！�
Altera指出，較早期的FPGA僅用于原型開發(fā)或低容量/低密度應用，現(xiàn)在該技術已經在消費電子產品中得到大規(guī)模使用，也在高密度應用中得到一定應用。Greenfield指出，最高密度的FPGA (90 nm)其單價仍明顯高于ASIC。他說：“但是，即便就最高密度的應用而言，當綜合考慮到開發(fā)和NRE成本等因素后，結果仍傾向于FPGA技術�！�
德州儀器(TI)的ASIC工作以單元方式為主，為數(shù)量有限的大型客戶服務。這些ASIC器件的平均門數(shù)量通常為工業(yè)標準ASIC的五倍，主要應用在高度復雜、高容量的應用中。這些應用都要求對商用的網絡和電信技術有高度的差異化。
TI的ASIC通訊基礎設施業(yè)務部門硅技術設計師John DiFilippo指出：“以單元方式進行ASIC開發(fā)，初始投資較高。但在高產情況下，ROI會大幅改善，因為其芯片較小，單位成本降低。在成品單價不太重要的情況下，或者是在產品上市時間較短，或初始投資較少的情況下，F(xiàn)PGA則是更好的選擇�！�
DiFilippo認為TI的客戶要求良好的性價比，而對FPGA和結構式ASIC而言這種要求都是難以實現(xiàn)的。FPGA和結構式ASIC更適于廣闊的中間市場。他說：“FPGA和結構式ASIC適于低容量、壽命較短的應用，客戶愿意在產品功能和性能方面有所犧牲，但要求仍能實現(xiàn)系統(tǒng)目標�！�
不過，TI對兩種競爭的技術都認同。TI為單元型ASIC設備推出新的特性，使其能夠提供類似門陣列的靈活性，更短的循環(huán)實現(xiàn)，設備要求重新設計時還能實現(xiàn)更低的成本。TI還開發(fā)了“平臺式”ASIC產品，在多條客戶產品線上都能加以利用，并指出其能夠降低單位系統(tǒng)的開發(fā)成本。
TI認為，單元型ASIC方法最適于以下情況：
■ 門和存儲位的數(shù)量超過1千萬；
■ 千兆位連接數(shù)量較多；
■ 在最低功耗下，主時鐘頻率高于300 MHz；
■ 對成本很敏感的應用。
可行的替代方法
Xilinx公司指出，關于FPGA能否成為ASIC的可行替代方法以及相關標準器件的辯論持續(xù)了近十年。Xilinx高級產品部門副總裁Erich Goetting指出，盡管FPGA隨時間發(fā)展取得了顯著的進步，但直到不久前，設計人員為實現(xiàn)高性能還必須采用大型昂貴的器件，在特定應用方面還需要DSP、RISC處理或高速串行連接。
現(xiàn)在，Xilinx提供新式的“領域優(yōu)化平臺FPGA” (Virtex-4)，可依據(jù)ASMBL（模塊）架構，針對應用的功能要求和成本目標對芯片設計加以增減。Goetting指出：“ASMBL是硅技術子系統(tǒng)的模塊化框架，為針對不同應用領域快速而廉價地部署平臺提供了新式的FPGA開發(fā)方法�！迸e例來說，某種設計可能需要高速DSP功能，但不一定需要高級邏輯。有了ASMBL架構，Virtex-4可讓用戶根據(jù)具體設計選擇邏輯、DSP、存儲器和其他功能（以列編組）的適當搭配。有人指出，列式架構可實現(xiàn)最多17種器件選擇，而且在“給定價位”上能夠提供更多功能。
Xilinx指出，由于NRE成本幾乎不存在（通常由FPGA廠商分擔），F(xiàn)PGA總體上擁有價格優(yōu)勢。Goetting指出：“ASIC的開發(fā)成本迅速大幅上升，而隨著FPGA平臺的功能不斷增加，這使競爭優(yōu)勢的天平向FPGA傾斜。除了在模擬/混合信號領域應用廣泛外，ASIC相對于FPGA再難以提供其他顯著的功能優(yōu)勢�！盕PGA在其他方面也可以節(jié)約成本，可通過軟件下載來修正錯誤，并方便在添加新的功能時調試系統(tǒng)性能。
圖1：圖中所示的是半導體協(xié)會公布的FPGA（可編程邏輯裝置的一種）與A S I C 的全球市場的增長率。
GE Fanuc Automation認為，F(xiàn)PGA的“真正優(yōu)勢”有兩方面：一是能用可靠的標準部件迅速進行開發(fā)，而且可以方便地修改，以添加新的特性；二是能在開發(fā)期間或在產品生命期內修正錯誤。GE Fanuc高級工程師Richard Reed指出，與ASIC不同的是，F(xiàn)PGA作為內置標準還帶有更多功能，如可測試性或JTAG接口，這可節(jié)約設計時間和成本。
FPGA加速了產品的推出。Reed指出：“大量采用標準部件，使得FPGA的價格相對于ASIC而言更具競爭性。對于生命周期較長和產量較大的應用，有時將設計轉化為ASIC專用芯片則更為合適�！�
在ASIC的優(yōu)勢方面，Reed指出，ASIC加電后可立即運行，就單位邏輯大小而言封裝選擇更多，還可包括某些模擬邏輯。與此相對比，F(xiàn)PGA加載配置進入存儲器需要時間，因此不能立即工作。此外，F(xiàn)PGA的封裝也較復雜。
成本/風險因素
Nallatech公司是FPGA計算系統(tǒng)和軟硬件開發(fā)商，該公司承認ASIC就其設計所針對的特定功能類型和專門應用而言實現(xiàn)了“高性能水平”。但是，Nallatech系統(tǒng)應用工程師Craig Sanderson指出，如果采用ASIC來實現(xiàn)高性能處理功能（如工業(yè)模擬、建�；虺上瘢┑脑�，那就會造成“商業(yè)影響”。
圖2：FPGA 成功的應用于工業(yè)產品，例如，NI 的CompactRIO
可重新配置的采集和控制系統(tǒng)中嵌入的FPGA 芯片起了重要作用。
GE FANUC 的P A CSystems RX3i 控制器也應用了FPGA 技術。
上述“高性能”應用通常屬于中小型規(guī)模。Sanderson雖然沒有給出用ASIC實現(xiàn)應用的成本效率的臨界點，但他指出，從成本/風險角度看，ASIC對相對小規(guī)模的應用而言是不可行的�！彼a充說，不管規(guī)模如何，“FPGA廠商一般說來都將宣傳采用FPGA，而不是ASIC�！�
Nallatech同樣認為，F(xiàn)PGA避免了較高的NRE成本，也具有其他優(yōu)勢。FPGA的可重復編程性可實現(xiàn)更靈活的開發(fā)路徑，降低風險和成本。與此相反，ASIC開發(fā)必須做到“首次肯定正確”。而FPGA的現(xiàn)場可重復編程性使開發(fā)人員能夠用軟件升級包通過在片上運行程序來修改芯片，而不是替換芯片。FPGA甚至可通過因特網進行遠程升級。廢棄控制(Obsolescence control)是指現(xiàn)有的FPGA應用設計作為新一代器件再編譯的可用資源。
就許多應用而言，F(xiàn)PGA供應商都表示性能已與ASIC相當。Sanderson指出：“就高性能應用而言，F(xiàn)PGA提供了充足的資源，可實現(xiàn)與ASIC技術相當?shù)墓δ�，同時比標準處理器的性能高出很多�！�
由于FPGA的可重復編程，因此應用程序可在實際硬件中進行調試和檢測。Sanderson補充說：“就ASIC而言，所有檢測都必須在進入物理實現(xiàn)ASIC硬件階段之前仿真進行，如果到硬件階段再發(fā)現(xiàn)問題就太晚了�！�
Gricha Raether是National Instruments (NI)的工業(yè)控制和分布式I/O產品經理，他指出ASIC和FPGA早期用于大規(guī)模應用，如機器制造和OEM型集成等，這有助于分攤傳統(tǒng)上較高的開發(fā)成本。之所以成本較高，他認為是上述器件的開發(fā)周期較長且設計人員需要掌握大量的有關開發(fā)工具的專業(yè)知識，特別是ASIC的設計工作和制造步驟更是需時不菲。
FPGA產品設計完善，可以直接編程。他指出，就此而言，F(xiàn)PGA將逐漸替代實際的集成電路。由于FPGA具備可定制的靈活性，因此供應商可能收取更多費用。設計IC封裝和印制電路板會帶來更多成本，這對兩種技術都一樣，但ASIC尤其如此。
工業(yè)生命周期
Raether認為，F(xiàn)PGA對生命周期更長的工業(yè)產品也有利。這主要是由于該技術能根據(jù)新的版本進行方便的再編程，并可進行現(xiàn)場再編程。他說：“采用FPGA技術的設計人員應考慮到可能需要的擴展和修改，在選擇FPGA門的數(shù)量大小時應預作準備。”這就要求在實現(xiàn)功能所需要的門陣列的數(shù)量和芯片編程實現(xiàn)的性能之間取得微妙的平衡，此外還要考慮到所需的“存儲空間”。
Altera也認為，F(xiàn)PGA對生命周期更長的工業(yè)產品也“非常有利”，盡管這種產品隨著時間的推移銷售量會下降。Greenfield指出：“FPGA工藝不需要最低預訂數(shù)量，壽命更長，這是令其獨樹一幟的重要原因。許多采用ASIC產品設計五年之久的工業(yè)客戶現(xiàn)在都用FPGA來代替ASIC。”原因有很多，如ASIC要求最低預訂數(shù)量，很不靈活； ASIC工藝技術已經過時，或者需要向無鉛型芯片封裝轉換等。
工藝技術逐漸過時是芯片制造商必須面臨的問題。Greenfield指出：“這一問題對ASIC公司而言尤其嚴重，因為他們的客戶群非常有限，而且很可能在困境中難以抽身。”
軟件工具的作用
開發(fā)FPGA解決方案相當復雜，要求有適當?shù)能浖ぞ�。Nallatech的Sanderson指出，F(xiàn)PGA設計工具正在不斷改進，特別是那些應用高級語言或接口進行應用開發(fā)的工具更是如此，如Mathworks提供的MatLab/Simulink。
他表示，高級語言對FPGA公司尤其重要，因為這種語言能將必需的應用功能打包進一個或多個FPGA器件。Sanderson指出，此前，這種功能必需在一個或多個DSP或微處理器上實現(xiàn)，而且還要加上一些固定功能的ASIC來實現(xiàn)連接。
近似而又不相同的硅技術方法
ASIC 和FPGA 都是集成電路(IC)，但又互有區(qū)別。專用集成電路(ASIC)如其名稱所示，是專門滿足某種電子產品或系列產品的特定應用需求的硬接線硅芯片，用于各種消費電子產品和工業(yè)產品中。
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是新興的IC 技術，包括成千上萬個邏輯單元，通過可編程開關連接起來，通過單元的邏輯互聯(lián)來滿足不同的設計要求。除了邏輯塊之外，F(xiàn)PGA 的其他可編程元件為I/O 塊（作為內部單線路和芯片外部引腳的接口）以及互聯(lián)接口（將其他元件的I/O 信號路由至適當?shù)木W絡）�？芍貜途幊痰墓δ苁谴祟惼骷淖畲髢�(yōu)勢。
結構式ASIC構成上述方法的中間地帶，它用金屬基層對眾多應用共有的設計元素（邏輯單元、存儲器、I/O等）進行預制造。針對特定應用的數(shù)據(jù)可在最終幾個金屬層中添加，這就大大減少了掩模層的數(shù)量，并將低了開發(fā)的預研成本。
設計人員面臨的設計復雜性之一就是要在單一FPGA中實現(xiàn)多個功能塊之間進行通訊。Nallatech公司的DimeTalk工具(目前僅適用于Nallatech硬件)據(jù)說可解決FPGA通訊系統(tǒng)開發(fā)的問題。
每種芯片技術都要求設計工具。Xilinx指出，由于FPGA設計流程的特點，F(xiàn)PGA用戶不用考慮制造產量和亞微米問題，此外，F(xiàn)PGA還具有方便易用、低成本以及產品上市時間短等優(yōu)點。Goetting補充說：“作為標準產品，F(xiàn)PGA推出時已經過全面測試，可以正常發(fā)揮作用，因為FPGA供應商已經解決了物理設計、驗證和特性描述等問題。”Xilinx為邏輯、DSP和嵌入式處理器件提供集成設計和調試工具，此外還為第三方工具提供接口。
根據(jù)供應商的不同，對FPGA進行編程的軟件在內容和增值特性（如編譯和編輯工具）方面互有差異。NI的Raether強調指出，熟練使用上述工具要求多年的經驗和培訓。他說：“某些更高級工具正逐漸進入市場，不過需要很好地了解FPGA的內部機制才能使用好這些工具�！盫HDL (極[高速]硬件描述語言)是最常用的開發(fā)語言。Raether表示，NI的LabView軟件可將器件的內部運行機制完全抽象出來，它是目前唯一實現(xiàn)此功能的軟件。該軟件可通過圖形化開發(fā)環(huán)境對可編程自動化控制器中的FPGA進行編程。
挑戰(zhàn)混合解決方案
FPGA也面臨著挑戰(zhàn)。Xilinx指出，高密度芯片的靜態(tài)功耗和尺寸限制就是FPGA的問題，因為可編程的芯片需要更多晶體管來執(zhí)行邏輯功能。盡管FPGA工藝已經向新式的更小型工藝技術發(fā)展，但工藝級、電路級和架構級創(chuàng)新似乎日益受到功耗問題的約束。Goetting指出，舉例來說，Xilinx通過采用三氧化物技術和集成式平臺功能，將其90nm的Virtex-4系列產品的功耗相對于130nm的處理器降低了一半。
National Instruments的Raether指出，F(xiàn)PGA開發(fā)還面臨著一些問題，如開發(fā)時間，行業(yè)規(guī)范的兼容性，以及在電路板和封裝設計方面分配適當?shù)拈_發(fā)資源。類似NI CompactRIO （見照片）的器件中集成了一塊FPGA來幫助實現(xiàn)產品開發(fā)。
GE Fanuc的Reed對專用標準產品(ASSP)組件很感興趣，這些組件衍生自不同的傳統(tǒng)ASIC設計。GE Fanuc以可用的IP (知識產權)核用于FPGA，以提高其工作效率；廠商用相同的技術推出標準組件的諸多修改版，以適應眾多較小的市場領域。Reed總結說：“我們可以推出嵌入式處理器，更好地搭配組合所需的功能，而且不必為我們不需要的功能付費，這是因為IP核可以重復使用，我們可將這些IP核快速搭配，制成標準組件�！�