asic与fpga
与其他技术一样，有关asic消亡的报道还为时过早。设计开工可能大幅下降，但ASIC收入继续令人印象深刻，特别是在亚太地区。此外，其他混合方法，如“结构化asic”可能会为技术增添新的生命。与此同时，fpga(和其他可编程逻辑设备)正在展示他们的肌肉，获得临界质量，一个…
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与其他技术一样，有关asic消亡的报道还为时过早。设计开工可能大幅下降，但ASIC收入继续令人印象深刻，特别是在亚太地区。此外，其他混合方法，如“结构化asic”可能会为该技术增添新的生命。与此同时，fpga(以及其他可编程逻辑器件)正在展示自己的实力，获得临界质量，并从低端应用升级。
每种技术都有其支持者。传统上，asic用于大型项目，fpga用于需要更快推向市场的小型项目，或者可以从远程升级中受益。ASIC和FPGA供应商仍在争论哪一个可能更优越，以及在什么应用中。很可能，这些技术及其变体将在未来继续共存(参见“硅方法”侧栏)。
Altera Corp.高密度FPGA高级总监戴维•格林菲尔德(David Greenfield)说，FPGA的主要卖点仍然是“上市时间价值”，它正在推动FPGA在从今天开始的绝大多数设计中取代asic。“虽然ASIC技术显然有一个对性能、密度和单位体积要求非常高的价值主张，但FPGA的进步和ASIC不断增加的开发成本正在推动ASIC进入一个不断缩小的利基市场。“FPGA性能、密度和制造成本的提高是这一趋势的背后原因。
格林菲尔德表示，过去，高性能/功能明显将asic与fpga区分开来，后者“两者都不具备”。他解释说，随着芯片制造从180纳米(0.18微米)发展到130和90纳米工艺，这种情况已经发生了很大变化，这使得FPGA的性能能够满足“除最苛刻的应用外的所有应用”，以及近80%的逻辑设计的密度范围。“一些系统架构师也意识到，ASIC的超高性能/超高密度的细分市场存在过高的风险。这类产品的非重复性工程和开发成本最高。
早期的fpga仅适用于原型设计或小容量/密度应用;现在他们在消费产品和其他中等容量的高密度应用中看到了非常高的使用量，Altera说。(详见一篇在线额外文章中的典型数量数据。)Greenfield解释说，最高密度的fpga (90nm)的单价仍然高于asic。他说:“然而，当考虑到开发和NRE费用时，即使在这些最高密度的应用中，成本权衡也往往有利于fpga。”
在德州仪器(TI)，对asic的关注集中在基于单元的方法上，服务于数量有限的大客户，这些客户需要非常复杂、高容量的设备，平均门数通常是标准行业asic的五倍。网络和电信领域需要高度“竞争差异化”的应用程序构成了市场。
TI ASIC通信基础设施业务部门的硅架构师John DiFilippo承认:“基于单元的ASIC方法的前期开发投资更高，但在大批量生产时，由于更小的芯片尺寸和更低的单位成本，投资回报率明显更好。”在单价不那么重要的情况下，fpga往往是更好的选择，或者是上市时间，或者是低初始开发成本驱动解决方案。”
DiFilippo认为TI的客户对“成本和性能组合”的要求超出了FPGA或结构化ASIC所能达到的要求，他认为后者更适合更广泛的中端市场。他说:“fpga和结构化asic适用于小批量、短寿命的应用，客户可以在功能和性能上妥协，同时仍能实现他们的系统目标。”
然而，该公司也承认存在竞争技术。它在其基于单元的asic中构建了更新的启用功能，以提供类似门阵列的灵活性，更短的周期时间，如果设计需要重新旋转，则具有更高的成本效益。德州仪器还开发了“平台”专用集成电路产品，可以跨多个客户线使用，该公司表示，这些产品可以降低每个系统的开发成本。
在TI看来，基于小区的ASIC方法最适合以下一种或多种情况:
门和内存比特数各超过1000万;
千兆级链接数高;
在可达到的最低功率下，主时钟速度大于300 MHz;而且
高度成本敏感的应用程序。
可行的选择
Xilinx Inc.指出，关于fpga是否能成为asic及相关标准器件的“可行替代品”的争论已经持续了近十年。Xilinx高级产品部副总裁兼总经理Erich Goetting表示，尽管fpga在这段时间内取得了显著的进步，但直到最近，设计师还不得不使用最大、更昂贵的器件来获得特定应用所需的高性能功能——dsp、RISC处理或高速串行连接。
现在，Xilinx提供了新的“领域优化平台fpga”(Virtex-4)，承诺基于公司的ASMBL(模块化块)架构的应用程序扩展所需的功能和成本目标。“ASMBL是一个硅子系统的模块化框架，使一种新的FPGA开发方法能够快速、经济地部署针对不同应用领域的平台，”goetten说。例如，一个给定的设计可能需要高DSP功能，但不一定需要高级逻辑。使用ASMBL架构，Virtex-4允许用户为特定的设计选择逻辑、DSP、内存和其他功能的正确组合(分组在列中)。据称，这种柱状结构还允许用户选择多达17种设备，“在给定价格点上”的性能也提高了一个数量级。
Xilinx指出，FPGA的总体成本效益是零NRE费用(通常由FPGA供应商承担)。Goetting继续说:“ASIC开发成本的快速、显著增加显然使使用功能日益强大的平台fpga具有优势。”“除了在模拟/混合信号领域的广度外，asic无法提供比fpga更显著的功能优势。“fpga的其他成本节约包括通过软件下载实现错误修复和调整系统性能以满足新需求。
GE发那科自动化认为FPGA的“真正好处”体现在两个方面:能够使用可靠的标准部件快速启动开发，并且易于修改以添加功能，以及能够修复开发过程中或产品生命周期中发现的错误。与asic不同，fpga标准内置了额外的功能，例如，可测试性或JTAG接口，节省了设计时间和成本，GE发那科高级工程师理查德·里德(Richard Reed)说道。
fpga加速了产品的推出。里德说:“标准部件的大量使用也使它们与asic相比具有相当的成本竞争力。”他补充说:“工业产品的生命周期和应用数量将决定将设计转换为硬拷贝或ASIC版本的设计是否具有成本效益。”
至于asic的好处，Reed提到它们可以在启动后立即运行，每种逻辑大小有更多的封装选项，并且可能包括一些模拟逻辑。相比之下，fpga需要时间将其配置加载到内存中，因此它们不能立即发挥作用。而且，它们是固定包装的。
成本/风险的角度
为FPGA计算开发系统和硬件/软件的Nallatech Inc.承认，asic为其设计专用的功能类型和特定应用提供了“高性能水平”。然而，Nallatech系统应用工程师Craig Sanderson指出，使用ASIC技术来实现高性能处理功能，如工业仿真、建模或成像，具有“商业意义”。
通常，这些“性能”应用程序具有低/中等容量。桑德森说:“如果不尝试定义一个交叉点，ASIC将变得具有成本效益，那么从成本/风险的角度来看，用于相对小批量应用的ASIC实现在商业上是不可行的。他补充说，无论数量如何，FPGA供应商通常都会提倡使用FPGA而不是asic。
Nallatech也认为fpga避免了高昂的NRE成本，并列举了其他优势。Reprogrammabilityfpga允许更灵活的开发路径，降低风险和成本。它不像ASIC应用程序开发，必须“第一次就正确”。场reprogrammability增加了修改正在运行的应用程序中的芯片的能力，而不是使用服务包或应用程序升级来替换它。FPGA甚至可以通过Internet远程升级。报废控制指现有的FPGA应用程序设计，作为未来一代设备重新编译的源。
FPGA供应商越来越多地声称，在许多应用中，性能与asic相当。Sanderson表示:“对于高性能应用，fpga提供了足够的逻辑资源，以实现与ASIC技术相当的功能植入，并且比标准处理器的性能水平要高得多。”
由于fpga是可重新编程的，应用程序可以在实际硬件中测试。桑德森补充说:“对于ASIC，在设计开发到物理ASIC硬件之前，所有的测试都必须以模拟的方式进行，到那时发现任何错误都太晚了。”
美国国家仪器公司(NI)工业控制和分布式I/O产品经理Gricha Raether指出，asic和fpga在大规模应用中的早期使用，如机器制造和oem类型的集成，这可以摊销历史上高昂的开发成本。他将高成本归因于较长的开发周期，以及对这些设备开发工具的广泛专业知识的需求。专用集成电路(asic)的设计和制造步骤尤其耗时。
fpga提供更完整的，准备编程。他解释说，从这个意义上说，fpga消除了生产实际集成电路(IC)的需要。然而，由于FPGA的定制灵活性，供应商可能会收取额外费用。对于任何一种技术，但对于asic来说，更多的是额外的成本用于设计支持IC的外壳和印刷电路板。
产业生命周期
Raether认为，fpga甚至可以为工业产品提供更长的生命周期。这源于能够很容易地重新编程为新的修订或重新编程的领域。他说:“使用FPGA的设计人员需要考虑可能需要的扩展或修改，并在根据可用门选择FPGA尺寸时采用它们。”它需要在成本(作为门数量的函数)和芯片上要编程的附加功能以及所需的“空间”之间取得微妙的平衡。
Altera也认为，即使在较长的工业产品周期中，fpga也能提供“巨大的价值”，这些工业产品周期可能会随着时间的推移而出现销量下降。格林菲尔德说:“FPGA处理缺乏最低订货量和更长的寿命是一个巨大的区别。”“许多五年前设计ASIC产品的工业客户现在正在用fpga取代ASIC。“原因包括不灵活的ASIC最低订货量，现在过时的ASIC工艺节点，或者需要转换为无铅芯片封装。
对于芯片制造商来说，工艺淘汰是一个现实。格林菲尔德补充说:“对于ASIC公司来说，这个问题要严重得多，因为它们的客户基础往往要有限得多，而且更有可能拥有一个专属的晶圆厂。”
软件工具的作用
开发FPGA解决方案是复杂的，需要适当的软件工具。Nallatech的Sanderson提到FPGA设计工具正在改进，特别是应用高级语言或接口来开发应用程序的工具，例如Mathworks的MatLab/Simulink。(更多的设计工具在本文的在线附加中列出。)
他解释说，高级语言在FPGA计算中特别重要，因为它们允许将必要的应用程序功能包装到一个或多设备FPGA中。桑德森说，在此之前，这些“功能通常是在一个或多个dsp或微处理器以及一些固定功能的专用集成电路上实现的”。
开发人员面临的设计复杂性的一个例子是在单个FPGA中建立多个功能块之间的通信。据报道，该公司的DimeTalk工具(目前仅适用于Nallatech硬件)克服了在fpga中开发系统通信的特定挑战。
每种芯片技术都需要设计工具。Xilinx表示，由于FPGA设计流程的性质，FPGA用户无需担心制造良率和亚微米问题，这也带来了易用性、成本和上市时间效益。“作为标准产品，FPGA经过全面测试和物理功能，FPGA供应商负责物理设计、验证和表征，”goetten补充道。Xilinx提供用于逻辑、DSP和嵌入式处理的集成设计和调试工具，以及与第三方工具的接口。
根据提供商的不同，fpga编程软件的内容和增值功能(如编译和编辑工具)各不相同。NI的Raether强调，熟练使用这些工具需要多年的经验和教育。一些更高层次的工具正在慢慢进入市场。然而，他们仍然需要很好地理解fpga的内部机制，他说。VHDL(非常[高速]硬件描述语言)是最常用的开发语言。Raether声称NI的LabView是目前唯一可以完全抽象设备内部工作原理的软件。它允许通过图形化开发环境对可编程自动化控制器(pac)中包含的fpga进行编程。
挑战，混合解决方案
fpga也有自己的挑战。Xilinx提到了在更高密度下的静态功耗和芯片尺寸限制，因为可编程芯片需要更多的晶体管来实现相同的逻辑功能。流程、电路和架构级的创新似乎满足了功耗限制，即使fpga转向了新的、更小的几何结构处理节点。Goetting说，例如，Xilinx在90纳米Virtex-4系列中，通过使用三氧化三层技术和集成平台功能，比130纳米的前身降低了50%的功耗。
国家仪器公司的Raether指出了时间的挑战，符合工业规范，以及在设计电路板和外壳以容纳FPGA时分配适当的开发资源。NI CompactRIO(图)等设备包括FPGA，以帮助简化此类产品开发任务。
GE发那科的Reed热衷于特定应用标准产品(ASSP)部件，这些部件源自不同的传统ASIC设计。IP(知识产权)核心可用，GE发那科在fpga中使用，以提高其生产力;他说，供应商使用相同的技术对标准部件进行了许多修改，以打入较小的利基市场。里德总结道:“我们能够得到一个嵌入式处理器，它更好地混合了我们所需要的东西，而不用为我们不需要的东西付钱，这是因为可重复使用的核心可以相当快地组合在一起，形成一个标准部件。”
“特定应用程序”或“现场可编程”，这是目前的问题。使用混合芯片解决方案是否“更高尚”将在不久的将来揭晓。
在线额外
ASIC, FPGA的优缺点
本文贡献者的一个共同主题是可编程逻辑设备的可重编程性的重要性。比如，Xilinx公司就强调FPGA的重复编程能力，即使在现场部署之后也不例外。
赛灵思公司asic的设计和验证周期更长，设计“重新旋转”和相关处罚的可能性很高。Xilinx高级产品事业部副总裁兼总经理Erich Goetting解释说，还需要额外的昂贵的验证工具、培训和资源。该公司为其FPGA产品提供工具，包括电路板、支持和参考设计。“Xilinx工具在网上有免费的评估版本，”Goetting补充道。
GE发那科自动化公司的高级工程师Richard Reed也提到了与asic相关的部分过时，这可能需要在产品生命周期内进行昂贵、耗时的重新设计。根据他的经验，fpga不需要重新设计。
FPGA供应商阿尔特拉公司只提到专用集成电路的小众和定制应用。所引用的例子是一个应用程序，其中在ASIC织物上集成模拟或特殊功能是一个重要的要求。
FPGA数量、成本
大卫·格林菲尔德阿尔特拉公司该公司高密度fpga高级主管对与fpga相关的体积数据提出了一些看法。例如，在之前的0.18微米工艺中，典型的批量应用在数万件范围内，10万件是不寻常的，而在0.13微米工艺中，典型的购买量是10万件，“不寻常”点已经移动到100万件。在密度最高的过程中，一些人会以数万单位的价格购买。他说:“90纳米工艺的早期结果显示，产量趋势正在加速。”
对整体开发成本的关注也适用于fpga。特别是配置设备的成本相对较高，需要管理，根据Altera的说法，这在过去占fpga支持总成本的30%。该公司最近试图通过在FPGA上电和其他系统运行期间使用新的串行配置设备，将配置成本降低到总成本的10%左右。
结构化asic
“结构化asic”的混合技术处于特定应用和可编程硅器件之间的中间地带，并寻求提供两者的最佳服务。(有关不同技术的定义，请参阅主要文章侧栏。)
通过结合许多设计中常见的预制元件(以及更多客户的需求)，结构化ASIC器件减少了与基于单元的ASIC相关的繁重的前期非重复工程(NRE)成本。这也有助于缩短开发时间。当然，选择特定的预制构件是至关重要的。据报道，结构化ASIC接近基于单元的ASIC设备的性能水平。
支持者声称，在复杂应用中，结构化ASIC可以比标准ASIC降低25%的开发成本，比复杂FPGA降低约90%的单位成本。
结构化asic有自己的组织。由四家制造商和工具供应商合作成立- ChipX，光速-结构化ASIC协会(SAA)寻求建立和推广该技术作为一个独特的半导体细分市场，并为该行业提供教育。
赛灵思对这一领域没有特别的积极影响。它认为结构化asic(和标准单元asic)“最终受到‘asic方法’本身以及缺乏灵活性的限制”。该公司认为，用于大型ASIC硬件设计/验证工作及其相关费用的投资减少了。
德州仪器公司从成本角度来看，门阵列和结构化阵列在asic和fpga之间提供了一些中间地带。TI ASIC通信基础设施事业部的硅架构师John DiFilippo表示:“然而，性能和功耗仍然大大落后于TI提供的基于电池的ASIC方法。”
应用程序，更多的软件工具
本文主要阐述了在工业产品中实现fpga的实例:一个可重构的I/O采集和控制系统国家仪器(CompactRIO)和一个过程自动化控制器通用电气发那科(PACSystems RX3i)。
另一个最近正在为这些芯片设备开发的工业领域是视觉系统。实际上，FPGA和ASIC都是Matrox Imaging最近发布的Odyssey Xpro+的一部分，这是其可扩展视觉处理器板的增强版本。Matrox Odyssey Xpro+由飞思卡尔G4 Power PC嵌入式微处理器驱动，核心频率为1.4 GHz。
ASIC元件是处理器和路由器的组合，Matrox将其称为奥德赛系列所有电路板上的“关键组件”。根据Matrox的说法，这种内部设计的高密度ASIC(拥有超过3000万个晶体管)集成了一个CPU桥接;主存控制器;并行处理器核心(或像素加速器，PA)，加速各种映射操作;还有一个路由器，它控制所有数据在处理节点内部和外部的移动。
设备的FPGA部分是一个可配置的协处理器，用于调节不由PA加速的操作。该协处理器基于Altera Stratix II FPGA器件，用于加速处理任务，如二进制运算符和大型查找表映射。
https://www.matrox.com
其他将fpga用于视觉相关产品的公司包括:Cognex， Coreco成像，DVT和成像解决方案集团。
克雷格•桑德森Nallatech系统应用工程师注意到可用于FPGA开发的其他软件工具和高级语言。其中有:Handel-C, System C使用的工具Celoxica有限公司；Mitrion- c使用来自Mitrion的工具;以及使用脉冲加速技术公司工具的脉冲- c。
其他技术供应商
下面是本文中涉及的技术的其他制造商和供应商的详细列表。
技术领域
Lattice Semiconductor FPGA;骑士的设备
结构化asic;平台予以
Synplicity Inc .)软件工具
类似但不同的硅方法
asic和fpga都是集成电路(ic)，但有区别。专用集成电路(ASIC)，顾名思义，是为满足某一电子产品或系列产品的特定应用需求而硬连接的硅芯片。它存在于无数的消费品和工业产品中。
现场可编程门阵列(FPGA)是最近发展的集成电路，集成了数千个逻辑单元，由可编程开关连接，逻辑上互连单元，以满足不同的设计要求。除了逻辑块，FPGA的其他可编程元件是I / O模块作为内部信号线和芯片外部引脚之间的接口互联将其他元素的I/O信号路由到适当的网络。能够重新编程是这些设备的关键。
结构化ASIC在上述方法之间形成一个中间地带，使用基本金属层来预制许多应用程序(逻辑单元，内存，I/O等)的通用设计元素。在最后的几个金属层中添加了特定的定制，节省了更少的掩模层和前期成本。
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