FPGA地盤占了不少，ASIC也依舊玩得愉快

FPGA要取代ASIC了，這是FPGA廠商喊了十多年的口號。可是，F(xiàn)PGA地盤占了不少，ASIC也依舊玩得愉快。這兩位仁兄到底有啥不一樣呢?

一、介紹

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC) 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。它是當今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件平臺，其主要特點就是完全由用戶通過軟件進行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫。在修改和升級時，不需額外地改變PCB 電路板，只是在計算機上修改和更新程序，使硬件設(shè)計工作成為軟件開發(fā)工作，縮短了系統(tǒng)設(shè)計的周期，提高了實現(xiàn)的靈活性并降低了成本。

ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，即專用集成電路，是一種為專門目的而設(shè)計的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路。ASIC的特點是面向特定用戶的需求， ASIC分為全定制和半定制。亮點在于專用，量身定制所以執(zhí)行速度較快。一句話總結(jié)就是，市場上買不到的芯片。水果的A系列處理器就是典型的ASIC。

二、FPGA是可復(fù)用的

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個部分。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是可編程器件。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能。

FPGA的特點：

加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。理論上，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。

FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。

FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。

用戶不需要介入芯片的布局布線和工藝問題，而且可以隨時改變其邏輯功能，使用靈活。

(FPGA基本架構(gòu))

三、ASIC是為VIP服務(wù)的

ASIC是定制的，具體分為全定制和半定制。

全定制設(shè)計可以實現(xiàn)最小面積，最佳布線布局、最優(yōu)功耗速度，得到最好的電特性。特點：精工細作，設(shè)計要求高、周期長，設(shè)計成本昂貴。

半定制設(shè)計方法又分成基于標準單元的設(shè)計方法CBIC和基于門陣列的設(shè)計方法。半定制主要適合于開發(fā)周期短，低開發(fā)成本、投資、風(fēng)險小的小批量數(shù)字電路設(shè)計。

ASIC的特點是：

面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優(yōu)點。

ASIC需要較長的開發(fā)周期，風(fēng)險較大，一旦有問題，成片全部作廢，所以小公司已經(jīng)玩不起了。

(ASIC基本架構(gòu))

四、兩者的設(shè)計流程

完整的FPGA設(shè)計流程包括功能描述、電路設(shè)計與輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實現(xiàn)與布局布線、時序仿真、板級仿真與驗證、調(diào)試與加載配置。

ASIC的設(shè)計流程(數(shù)字芯片)包括：功能描述、模塊劃分、模塊編碼輸入、模塊級仿真驗證、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)仿真驗證、綜合、STA(靜態(tài)時序分析)、形式驗證。

(FPGA和ASIC設(shè)計流程)

插一句，在ASIC 設(shè)計過程中，往往要用到FPGA 進行原型驗證。FPGA 驗證是進行ASIC 設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，其后，還需要引入ASIC 版本源碼，插入IO PAD，DFT，功耗估計和進行其它后端流程。完成FPGA 驗證可以說就完成了ASIC 整套流程的50～80%。

從設(shè)計成本來考慮，小批量上FPGA占優(yōu)，大批量時，ASIC占優(yōu)。

FPGA本身就是一個芯片，只是你可以通過編程的方式修改內(nèi)部邏輯連接和配置實現(xiàn)自己想要的功能。實現(xiàn)ASIC，就如從一張白紙開始，你得有代碼，之后綜合，之后布局，布線，得到GDSII后去流片。

五、比速度

相同的工藝和設(shè)計，在FPGA上的速度應(yīng)該比ASIC跑得慢。因為FPGA內(nèi)部是基于通用的結(jié)構(gòu)，也就是LUT(look up table)，它可以實現(xiàn)加法器，組合邏輯等等，而ASIC，一般加法器就是加法器，而比較器就是比較器，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)上的通用性必然導(dǎo)致冗余;另外，作為FPGA基本單元是LUT(LUT組成SLICE，SLICE組成CLB--這是xilinx的結(jié)構(gòu))，為此大的設(shè)計假如一個LUT實現(xiàn)不了，就得用兩個LUT，一個SLICE實現(xiàn)不了就要用CLB，不同結(jié)構(gòu)處于特定的位置，信號之間的互聯(lián)，導(dǎo)致的wire delay是不可忽略的一部分。而對于ASIC來說沒有結(jié)構(gòu)上的限制，而且對于特定的實際可以在空間上靠得很近，相對之下wire delay和cell delay都應(yīng)該比FPGA小。當然LUT中也有DFF，作為高速的設(shè)計一般都會在一個簡單的組合邏輯操作之后打一拍，再做下一步的處理。

六、比個頭

完全相同的結(jié)構(gòu)的話,FPGA被ASIC遠遠踢飛。FPGA要規(guī)模大得多才能實現(xiàn)ASIC相同的功能,主頻還只有幾分之一。因此，F(xiàn)PGA相對于ASIC來說還是大很多的。

七、功耗方面

在相同工藝條件下，F(xiàn)PGA要大于ASIC。FPGA，尤其是基于占用大量硅面積的、每個單元六個晶體管的靜態(tài)存儲器(SRAM)的查尋表(LUT)和配置元件技術(shù)的FPGA，其功耗要比對等的ASIC大得多。

八、比花的銀子

FPGA貴在單片，開發(fā)工具和風(fēng)險基本不存在。對于ASIC貴在流片的費用和開發(fā)工具，NRE費用隨著工藝的提高變相當貴，除非你的芯片一次成功可以量產(chǎn)，否則單片費用將其貴無比!

九、其他方面

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。FPGA技術(shù)的主要優(yōu)勢仍是產(chǎn)品投放市場的時間較短。

在ASIC的優(yōu)勢方面，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,FPGA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(fù)雜。

除此之外，F(xiàn)PGA內(nèi)部還包括接口I/O，I/O分為普通I/O和高速I/O，高速I/O支持例如高速的SERDES，用于實現(xiàn)XAUI，PCIE等高速接口，這些接口動輒幾Gbps到10Gbps以上。此外種類多種多樣的硬核IP也是各FPGA廠商差異化競爭利器，例如POWERPC、ARM等硬核IP。從而構(gòu)成CPU+FPGA于一體的集可編程性和可重構(gòu)的處理平臺。因此，相對來說，F(xiàn)PGA雖然發(fā)展有二三十年的歷史，其基本架構(gòu)一直不變不大。

十、兩者的定位

FPGA和ASIC產(chǎn)品的使用要根據(jù)產(chǎn)品的定位和設(shè)計需要來選用，ASIC產(chǎn)品適用于設(shè)計規(guī)模特別大，如CPU、DSP或多層交換芯片等，或者是應(yīng)用于技術(shù)非常成熟且利潤率非常低的產(chǎn)品，如家用電器和其它消費類電器，亦或是大量應(yīng)用的通用器件如RAM、PHY等。而FPGA產(chǎn)品適用于設(shè)計規(guī)模適中，產(chǎn)品要求快速占領(lǐng)市場，或產(chǎn)品需要靈活變動的特性設(shè)計等方面的產(chǎn)品，如PDH、2.5G以下SDH設(shè)備和大部分的接口轉(zhuǎn)換芯片等。當然具體使用那種產(chǎn)品來設(shè)計還要設(shè)計者充分考慮自己的產(chǎn)品定位來決定。

十一、兩者在互相融合

最明顯的莫過于處理器中開始集成FPGA，而可編程的ASIC也開始興起。隨著SoC成為主流，兩者的邊界也就不辣么明顯了。

十二、最后奉上網(wǎng)友對FPGA比ASIC快的解釋

FPGA的LUT等資源已經(jīng)固定了，你用不用都在那里，不多不少。

ASIC理論上每一個你用到的CELL或者IP等資源你都可以手動的擺放來進行優(yōu)化。

FPGA的資源固定有兩個劣勢：

劣勢一：能夠利用的資源是固定的，且不成大片，橫跨區(qū)域的產(chǎn)生邏輯，會退化時序。其實也就是你沒有辦法把邏輯盡可能的擺得近。邏輯擺得近可以減小線上的延遲，可以提高速度。ASIC的cell你可以全部的擠在一起(不違反DRC的前提下)。

如下圖所示，這就是一個FPGA的資源圖。

劣勢二：你的大小是固定的。你用1個門還是用10W個門，都是這一片已經(jīng)固定好了的LUT給你用。如果你的邏輯很小很小，F(xiàn)PGA很大，你信號從IO進來到邏輯，有可能會走比較長的距離，這個也要花時間的。極端的例子，你從上部的IO進來，你的邏輯在下部，這走線的長度感人啊。(正常的設(shè)計不會這么做的)

除此之外，F(xiàn)PGA的走線，你幾乎是動不了的。

ASIC中你可以直接加寬金屬線，比如兩倍寬度走時鐘線，復(fù)位線啦，之類的。金屬線寬度變大，線上的延遲變小，對速度也是有幫助的。

還有asic的庫一般還包含高性能cell，低功耗cell等。在關(guān)鍵路徑，為了提高時序，你全用高性能的cell(功耗大)。一般的路徑，時序比較松，多用低功耗的cell(性能低)。你FPGA一旦選定了，你就只有他給你的東西，你沒有選的。

ASIC還可以使用useful skew的方式來提高速度，手段會比FPGA中的多。

總的來說，就如同GPU和CPU一樣。GPU可以非?？斓奶幚韴D像，但是讓GPU去處理其他的東西，GPU表示攤手。CPU很多的運算都能處理，也能去處理圖像，只是慢而已。一旦你是沖著某個目的去的(ASIC)你為了實現(xiàn)這個目標，你各種沒節(jié)操沒下線都可以。如果你想要多方面兼顧(FPGA)，你就不可能在每一個方面都做到最好，你必須trade-off。

審核編輯 ：李倩

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