如何在FPGA和ASIC之间做选择

土耳其伊斯坦布尔 ElectraIC 总经理兼管理合伙人 Ates Berna 曾经在 LinkedIn 上发布了一份总结比较图表，展示了 FPGA 和 ASIC 之间的差异。

虽然这不是一个详细的图表，但我认为它是一个很好的破冰船，当你需要一个相当复杂的高性能、非标准 IC 来解决设计挑战时，它会导致关于你在 FPGA 和 ASIC 之间做出的选择。

我经常收到 FPGA 与 ASIC 的问题，我认为讨论 Berna 发布的图表很有价值。因此，这里对图表中的项目进行了更详细的逐行讨论：

这是我对这张图表的逐行讨论：

预付费：ASIC 的前期成本很高。首先，ASIC 开发工具的成本。您需要一个相当大的工具链来开发 ASIC，您必须租用或购买，并且您需要知道如何使用这些工具。如果您的设计团队没有这些知识，您需要将培训团队的成本包括在您的前期成本清单中。此外，您将产生相当大的 NRE（非经常性工程）费用，大约为数十万或数百万美元，您将支付给硅代工厂以构建您的 ASIC。NRE 费用用于支付掩模制造和检查，在代工厂繁忙的制造计划中预留一个位置来制造您的 ASIC、芯片测试和分拣、封装和最终测试。相比之下，FPGA 是现成的部件，因此没有代工 NRE 费用，FPGA 工具比 ASIC 设计工具便宜得多，大概低三个数量级。根据 FPGA 的不同，您甚至可以通过分销方式购买零件并在第二天获得。

单位成本：这就是 ASIC 大放异彩的地方。因为您通常设计 ASIC 以满足您的确切设计要求，所以您只购买您真正想要的硅片。很少或没有浪费。因此，假设您有预计的产品销量来证明创建 ASIC 的合理性，那么 ASIC 的单位成本应该低于 FPGA。这是因为 FPGA 的芯片开销很大。首先，您的设计可能无法 100% 使用任何给定的 FPGA。如果幸运的话，您可能会获得 90% 的利用率。通常，您可能无法使用多达 10% 或更多的 FPGA 资源来满足可布线性和时序目标，因为布线拥塞太大，并且如果您尝试使用整个 FPGA，信号会变得太长和太慢。此外，FPGA 上的信号路由矩阵非常丰富，以确保您可以在 FPGA 上路由您的设计。

上市时间：到目前为止，FPGA 是上市时间的领先者。如果您已准备好制造 pcb，则可以在 FPGA 设计完成的同一天发货。您需要做的就是将最终配置闪存到板上的 EEPROM 中，对其进行测试、封装并发货。相反，当您完成 ASIC 设计时，您会将设计运送到硅代工厂并举行流片派对。然后，您等待几个月，而代工厂会接受您的设计、检查、制造芯片、测试芯片、封装芯片，然后将封装好的 ASIC 寄回给您。当您收到完成的 ASIC 盒时，您可以构建和测试您的电路板。同时，来自竞争对手的类似产品，但基于 FPGA，在您等待从代工厂取回 ASIC 的那几个月里，将一直在您的市场上销售。如果上市时间对您来说至关重要，那么 FPGA 可能是您的最佳选择。

速度：假设您的设计人员知道他们在做什么，ASIC 从任何给定的 IC 工艺节点中提取最高性能。由于 FPGA 的大型（电容式）可编程路由矩阵，相对于 ASIC 的性能，任何给定的 IC 工艺节点的性能都会损失大约一个数量级。

能量消耗：这并不明显，但 FPGA 在单位成本和速度方面的硅效率低下也增加了 FPGA 相对于 ASIC 的功耗。FPGA 上的所有这些额外的路由矩阵晶体管都会泄漏，从而导致更高的静态功耗。由于有序 FPGA 中所需的曼哈顿布线，FPGA 中固有的较长布线会为每条布线增加电容，从而导致更高的动态功耗。但是，FPGA 供应商可以反击其 FPGA 中的额外功耗。

例如，莱迪思半导体为其 Nexus FPGA 选择了 28nm FDSOI 工艺技术，以降低静态功耗。有很多这样的设计技巧可以降低功耗，但是 FPGA 有大芯片，大芯片有很多电容，

现场更新：这是一个容易理解的。基于 SRAM 的 FPGA 很容易在现场重新编程。更改存储在闪存中的配置并更新您的设计。在 FPGA 设计的早期，您必须从其 IC 插座中拔出旧配置的 EPROM 或 EEPROM，然后插入一个新配置来执行现场更新。如今，您很可能通过 USB 或 JTAG 端口进行可重编程设计。一些最终产品设计允许无线更新，尽管允许无线硬件更新存在许多安全问题。

相反，更新 ASIC 通常需要换板（在无线行业中称为上门服务）。一些 ASIC 设计结合了来自 eFPGA 供应商（如 Achronix、Flex Logix、Menta 或 QuickLogic）的嵌入式 FPGA （eFPGA） 结构，以实现有限数量的现场更新而无需上门服务。如果您想采用这种方法，您甚至可以获得名为 OpenFPGA 的开源 FPGA 结构生成器和工具集。但是，如果您在 ASIC 中嵌入 FPGA 架构，那么 ASIC 就变成了 FPGA，不是吗？

密度：因为器件密度与单位成本密切相关，所以同样适用 FPGA 与 ASIC 的论点，只是增加了一点。在任何给定的工艺技术中，由于 FPGA 的路由开销和资源利用限制，您总是可以设计一个更大的设备，一个具有更多资源的 ASIC，如上所述。

设计流程：与 ASIC 不同，FPGA 的物理设计在您看到设备之前已经为您完成并由 FPGA 供应商验证，尽管有勘误表。您通常会使用一个供应商的工具链来设计 FPGA 配置，尽管一些富有的设计公司使用来自三大 EDA 供应商之一的 ASIC 级布局布线工具：Cadence、Siemens/Mentor 和 Synopsys。对于 ASIC 设计，您通常会采用混合搭配的方法，从三大 EDA 公司购买 EDA 工具，也许还从尚未被三大 EDA 公司之一吸收的新 EDA 初创公司购买一些额外的设计工具。

粒度：ASIC 的数字粒度是一个门，或者在某些情况下是一个晶体管。FPGA 必须具有更粗的粒度，大约为一个逻辑单元。否则，FPGA 的布线开销将变得完全不切实际。ASIC 和 FPGA 之间的这种粒度差异导致 FPGA 更高的单位成本和相对缺乏密度。

需要门级验证：FPGA 和 ASIC 一样需要设计级验证。但是，FPGA 在门级不是细粒度的，因此它们不需要门级验证。您将每个门都放置在 ASIC 设计中，因此您需要验证每个门。

技术升级路径：理论上，在一个 FPGA 供应商的产品线中从一个 FPGA 系列升级到下一个系列会更容易。例如，通过三个 Xilinx 7 系列器件迁移设计相对容易：Artix、Kintex 和 Virtex。然而，迁移到其他供应商的 FPGA 也意味着迁移到其他 FPGA 供应商的设计工具，这并不是特别容易，尽管它并不像某些人可能认为的那么困难。工程师们已经设法掌握了不止一个 FPGA 供应商的工具链。他们只是在进行更改时抱怨很多。ASIC 没有技术升级路径。要升级 ASIC，您需要设计、验证和制造新的 ASIC。

附加功能：在这里，我必须与上面的图表不同。尽管 FPGA 供应商长期以来一直在寻找附加功能块以添加到他们的 FPGA 中，但 FPGA 上可用的几乎任何东西都可以作为 IP 设计或购买并放置在 ASIC 上。这可能并不容易，但通常是可能的。关于 ASIC IP 的声明包括嵌入式 FPGA IP。也许该图表旨在表明更容易利用 FPGA 供应商塞进其部件中的许多其他前沿特性。例如，FPGA 供应商在过去 20 年一直引领着高速 SerDes 设计。如果您想要一个快速的 SerDes，您可能会在 FPGA 供应商的最新设备上找到最快的，尤其是 Achronix、Intel 和 Xilinx。

当然还有很多其他的设计考虑没有出现在上面的图表中。例如，在 FPGA 和 ASIC 之间有一个中间步骤——结构化 ASIC——与 ASIC 相比，它以更低的 NRE 成本提供了 ASIC 的许多（但不是全部）优势。十五年前，许多公司提供结构化 ASIC，并建议它们是下一代门阵列。由于许多商业原因，仅剩下一家商业结构化 ASIC 供应商——英特尔——它在 2018 年收购了最后一家结构化 ASIC 供应商 eASIC。

尽管触发本文的图表并不全面，但它确实为在 FPGA 和 ASIC 之间做出决定提供了一个很好的起点。到目前为止，这篇文章应该已经戳到了某人的痛处，所以请随时发表评论，让我们知道您的想法。