FPGA與ASIC在打一場(chǎng)圍繞成本、功耗和性能的硬仗

2018年6月4日，國內(nèi)ADAS公司Maxieye智駕科技對(duì)外宣布，公司已推出第二代前裝量產(chǎn)前視產(chǎn)品IFVS-400，該產(chǎn)品基于低成本的ASIC芯片進(jìn)行開發(fā)，采用深度學(xué)習(xí)算法，支持L2/ L3級(jí)的自動(dòng)駕駛方案。

ADAS公司使用ASIC芯片，在業(yè)內(nèi)并不多見，目前大部分初創(chuàng)的公司，在一些量產(chǎn)項(xiàng)目中，使用的大都是FPGA的方案，這主要是出于靈活、成本、車規(guī)等因素。

之所以選擇ASIC的方式，MaxieyeCEO周圣硯表示：ASIC先期開發(fā)周期較長，但FPGA或GPU+FPGA異構(gòu)只是整個(gè)市場(chǎng)在2017年之前的“權(quán)宜之計(jì)”。到了2018年，F(xiàn)PGA的成本和計(jì)算優(yōu)勢(shì)相對(duì)減弱， ASIC的成本大約是其20%-30%左右。

隨著高通、TI、瑞薩、NXP等汽車電子巨頭均在2014年前后著手研發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的處理器單元，他們普遍選擇ASIC路線。未來隨著ASIC的產(chǎn)銷量上升，價(jià)格、成本的優(yōu)勢(shì)會(huì)凸顯出來。

ASIC的長與短

ASIC（Application Specific Integrated Circuit）為專用集成電路，是泛指面向特定功能的芯片，比如專用的音頻、視頻處理器，具有體積小、功耗低、高可靠性、保密性強(qiáng)、計(jì)算性能高、計(jì)算效率高等優(yōu)勢(shì)。

在汽車行業(yè)，ASIC的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域是三電控制、制動(dòng)、加速、轉(zhuǎn)向控制，ABS、TSC、 ESP，以及各傳感器、傳感器接口等，主要的供應(yīng)商由NXP（Freescale）、瑞薩、TI、ST等傳統(tǒng)巨頭提供。

ASIC更多的是面向特定用途或用戶的特定要求的全定制、半定制集成電路，研制成本比較高，從設(shè)計(jì)到流片的時(shí)間流程比較長（一般在半年以上）。

但是對(duì)于使用芯片的最終客戶來說，具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)并生產(chǎn)一顆ASIC的流程，大致為系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，RTL級(jí)編碼，RTL級(jí)仿真，利用綜合工具生成網(wǎng)表和SDF文件進(jìn)行前仿真，布局布線，后仿真，樣片生產(chǎn)，協(xié)同軟硬件調(diào)試。

FPGA與之不同的是，在進(jìn)行完綜合和編譯，生成網(wǎng)表后，如果沒有問題即可在FPGA母片上進(jìn)行燒錄測(cè)試，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。

相比較而言，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)比用ASIC實(shí)現(xiàn)可以節(jié)省一次后仿真和樣片的生產(chǎn)2個(gè)步驟，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)和工藝廠家這2個(gè)步驟通常需要6周或更長時(shí)間，如果需要量產(chǎn)那么如果使用ASIC那么第一批量產(chǎn)芯片還需要5周或更長時(shí)間。

但如果樣片出錯(cuò)就至少還需要6周或更長時(shí)間，所以從產(chǎn)品的時(shí)間成本上來看FPGA具有比較大的優(yōu)勢(shì)，它大量用于生產(chǎn)至少可以比ASIC快3個(gè)月的時(shí)間。

當(dāng)然這一點(diǎn)的不同，也會(huì)造成另外一個(gè)問題：如ASIC一旦出錯(cuò)，改動(dòng)成本較高，需要推倒重來，這無論從成本還是在時(shí)間上，都需要耗費(fèi)更多。

而FPGA則在沒有較大的改動(dòng)下，只需要通過重新燒錄升級(jí)即可，在新產(chǎn)品推出的過程中，比ASIC擁有更多的靈活性。也因此，ASIC一般都是用于市場(chǎng)上已經(jīng)成熟穩(wěn)定的技術(shù)。

門陣列和標(biāo)準(zhǔn)單元

ASIC芯片主要由半導(dǎo)體廠家采用半定制的方法制造，常用的有門陣列（Gate Array）和標(biāo)準(zhǔn)單元（Standard Cell）兩種類型。門陣列和標(biāo)準(zhǔn)單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，使用的制造技術(shù)也不一樣，因而他們的成本，生產(chǎn)時(shí)間，效率也不一樣。

門陣列是一種用掩膜版編程的集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)，包括COMS門陣列，射極耦合邏輯（ECL）門陣列，BiCMOS門陣列，數(shù)字和模擬兼容門陣列。半導(dǎo)體廠家預(yù)先在芯片上制備邏輯門或元件的規(guī)則陣列，一直加工到互連線光刻之前一道工序，這樣的半成品芯片被稱為門陣列母片。

然后，廠家根據(jù)客戶的要求，設(shè)計(jì)互連線版圖并進(jìn)行制版及光刻加工，芯片就成為一個(gè)滿足用戶要求的專用集成電路。

門陣列母片可以大量生產(chǎn)，只需改變互連線版圖，即可適應(yīng)多品種的要求。通常編程的工藝層只限于最后的互連線（單層或多層布線層）。門陣列設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是周期短，成本低，成功率高，可靠性好；但也存在著設(shè)計(jì)不夠靈活，門的利用率低，功耗較大等缺點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)單元是目前使用較多的一種半定制芯片。半導(dǎo)體廠家預(yù)先設(shè)計(jì)好具有一定邏輯功能的單元電路（如觸發(fā)器，加法器，計(jì)數(shù)器和RAM等），并且這些單元電路的布局布線工作已經(jīng)完成，經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試，能保證邏輯功能和良好的時(shí)序功能，然后以標(biāo)準(zhǔn)單元庫的形式提供給設(shè)計(jì)者。

ASIC設(shè)計(jì)者能把這些已經(jīng)具有一定功能的單元連接到一起實(shí)現(xiàn)所需要的功能，盡可能以最優(yōu)化的方式布局布線到晶片上。

與門陣列不同的是，盡管這些標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元已經(jīng)預(yù)先設(shè)計(jì)好，但并不預(yù)先放到晶片中（因?yàn)閺S家事先不知道設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)情況，沒有一種通用的方式?jīng)Q定各種邏輯單元使用的數(shù)量和具體的擺放位置）。因而標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)沒有母片的概念。每塊晶片都是根據(jù)設(shè)計(jì)者的需求臨時(shí)制作的，晶片內(nèi)部最基本的晶體管都是現(xiàn)場(chǎng)刻制的。

所以，標(biāo)準(zhǔn)邏輯單元的生產(chǎn)周期較門陣列較長。由于標(biāo)準(zhǔn)單元的每一層掩膜都是根據(jù)不同用戶的需求定制的，用戶不能共享開發(fā)成本，因而標(biāo)準(zhǔn)單元專用集成電路的試制費(fèi)比門陣列專用集成電路要高。

標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是晶片體積小，可以支持很復(fù)雜的設(shè)計(jì)，批量生產(chǎn)單片成本低，用戶定制性好。對(duì)于門陣列來說，母片是事先生產(chǎn)好的，晶片尺寸已經(jīng)固定下來，片內(nèi)的資源均勻分布在片內(nèi)，許多資源可能得不到充分利用。

但是，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)單元來說，只有需要的標(biāo)準(zhǔn)單元才會(huì)被放置到晶片中，所以晶片的尺寸越小，每塊晶圓能夠切割的晶片數(shù)量就越多，單片的成本越低。這是在大批量生產(chǎn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)專用集成電路的優(yōu)勢(shì)。

ASIC還站在前哨

2017年底，蔚來汽車在發(fā)布的第一款自動(dòng)駕駛量產(chǎn)車型ES8上，選擇了Mobileye EyeQ4芯片，其最高運(yùn)算速率為2.5萬億次/秒，功耗為3W，該芯片屬于ASIC芯片。

EyeQ4使用了一組工作在1GHZ的工業(yè)級(jí)四核MIPS處理器，以支持多線程技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的控制和管理；多個(gè)專用的向量微碼處理器（VMP），用來應(yīng)對(duì)ADAS相關(guān)的圖像處理任務(wù)；一顆軍工級(jí)MIPS Warrior CPU位于次級(jí)傳輸管理中心，用于處理片內(nèi)片外的通用數(shù)據(jù)。

同年，馬斯克在一個(gè)場(chǎng)合透露了“特斯拉正在造自己的芯片”的消息，馬斯克明確稱”吉姆正在開發(fā)專門的AI硬件。而這個(gè)“專門的AI硬件”指的很可能就是ASIC芯片。

地平線也在2017年年底推出了ASIC人工智能專用芯片，其中針對(duì)中自動(dòng)駕駛專用芯片征程1.0，由晶圓代工伙伴臺(tái)積電先進(jìn)工藝制程生產(chǎn)。NPU（Neural Processing Unit）能效可以提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)（100-1000倍左右），具有高性能、低功耗、低成本等特點(diǎn)。

國內(nèi)外廠商在零星的推出自動(dòng)駕駛的ASIC芯片，而傳統(tǒng)的汽車芯片廠商，卻并沒有急于宣布進(jìn)入這個(gè)藍(lán)海。

在芯片行業(yè)內(nèi)工作多年的人士告訴《高工智能汽車》，ASIC的優(yōu)勢(shì)，主要在于應(yīng)用于成熟穩(wěn)定的技術(shù)，不需要不斷升級(jí)更新，同時(shí)在使用使用量上要有保證，才會(huì)體現(xiàn)出成本、可靠性的優(yōu)勢(shì)。

在目前技術(shù)條件下，用于自動(dòng)駕駛的算法、控制類ASIC芯片還尚處早期，這主要是源于自動(dòng)駕駛的算法在一直更新，演進(jìn)，尚未定型。

而未來自動(dòng)駕駛的應(yīng)用中，更強(qiáng)調(diào)的是集成性，各個(gè)固定的自動(dòng)駕駛算法可能會(huì)以IP核的形式嵌入到中央處理系統(tǒng)中。

FPGA的力挺者

為了重申其于汽車產(chǎn)業(yè)的長期投入，以及看好FPGA將在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，全球最大的FPGA供應(yīng)商之一賽靈思(Xilinx)近年來不斷加大市場(chǎng)的培育力度。

盡管在此之前，F(xiàn)PGA更多用于車載信息娛樂系統(tǒng)，但賽靈思堅(jiān)定認(rèn)為，F(xiàn)PGA最適合用于處理越來越復(fù)雜的ADAS和自動(dòng)駕駛。

而在在ADAS領(lǐng)域，賽靈思的FPGA也到了不少初創(chuàng)公司的采用，并用于處理來自各種車身傳感器(包括攝像頭、毫米波雷達(dá)等)的數(shù)據(jù)。FPGA可利用其DSP與平行架構(gòu)，提供極其適合神經(jīng)網(wǎng)路加速的運(yùn)算能力。

賽靈思曾經(jīng)對(duì)外宣稱自己在車用視覺處理市場(chǎng)占有率排名第二，僅次于Mobileye，盡管雙方的市場(chǎng)份額存在著巨大差距。不過，賽靈思表示，目前公司與Bosch、Magna和Continental等多家汽車一級(jí)零部件供應(yīng)商都有合作。

在中國市場(chǎng)，賽靈思也在開拓ADAS初創(chuàng)公司的市場(chǎng)。

近日，AI初創(chuàng)公司深鑒科技宣布已經(jīng)完成面向自動(dòng)駕駛/高級(jí)輔助駕駛領(lǐng)域的技術(shù)整合及商業(yè)布局，實(shí)現(xiàn)了方案落地及訂單轉(zhuǎn)化，其推出的正是基于賽靈思FPGA的車載深度學(xué)習(xí)處理器平臺(tái)DPhiAutoTM。

而在今年初的CES展上，另一家ADAS初創(chuàng)公司MINIEYE發(fā)布了基于賽靈思FPGA的前裝產(chǎn)品X1，目前已經(jīng)進(jìn)入多家車廠、Tier1的供應(yīng)商體系，今年將于量產(chǎn)車型上搭載。

MINIEYE表示，選用FPGA芯片是因?yàn)槠渚哂懈哂?jì)算性能，更適合深度學(xué)習(xí)；同時(shí)也是車規(guī)級(jí)已量產(chǎn)的芯片，研發(fā)更加成熟，成本具有競(jìng)爭(zhēng)力，功耗也能大幅降低。

同時(shí)，為了彌補(bǔ)單一FPGA的限制，除了此前推出的集成ARM處理器的車規(guī)級(jí)級(jí)Zynq UltraScale+ MPSoC系列，賽靈思還在近期推出了繼FPGA之后另外一種全新的產(chǎn)品類型：ACAP（Adaptive Compute Acceleration Platform，自適應(yīng)計(jì)算加速平臺(tái)）。

賽靈思表示，它將遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破FPGA的極限，并將能夠與 CPU、GPU 以及FPGA相并列。ACAP 的核心是新一代 FPGA 架構(gòu)，它結(jié)合分布式存儲(chǔ)器和硬件可編程的 DSP 模塊、一個(gè)多核 SoC 以及一個(gè)或多個(gè)軟件可編程而又具備硬件靈活性的計(jì)算引擎，并通過片上網(wǎng)絡(luò)（NoC）實(shí)現(xiàn)互連。

當(dāng)然，現(xiàn)在要對(duì)FPGA和ASIC作出什么結(jié)論還為時(shí)過早，對(duì)于各大芯片公司來說，這是一場(chǎng)圍繞成本、功耗和性能的硬仗。