FPGA与ASIC有什么差异？二者该如何选用？

前言

        对于一个数字电路的新手来说，这可能是会经常遇到的一个问题：FPGA和ASIC之间的区别是什么?

        接下来本文将尝试讲解 “什么是FPGA？” 和 “什么是ASIC？”，然后讲述一些关于FPGA和ASIC的问题，例如它们之间的异同。我们将总结二者的优点和缺点，以便您能够根据应用需求来做出一个明智的选择。

什么是FPGA?

        FPGA是指现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）。它是一个可以现场编程的、并按照预定设计意图来工作的集成电路。这意味着它可以既作为一个微处理器工作，也可以作为一个加密单元工作，还可以作为一张显卡来工作，它甚至可以同时具备这三者的功能。顾名思义，FPGA是可编程的，因此我们可以对作为以微处理器模式工作的FPGA重新编程，使其在工作现场（不需要去半导体工厂）就可以在功能上变成一张显卡。在FPGA上运行的设计通常使用诸如VHDL和Verilog等硬件描述语言（HDL）构造。

        FPGA由成千上万个可配置逻辑块(Configurable Logic Blocks ，CLB)组成，这些CLB嵌在可编程互联结构中。CLB主要由查找表(Look-Up Table，LUT)、多路复用器（Multiplexer）和触发器（Flip-Flop）构成。它们可以用来实现复杂的逻辑功能。除了CLB和布线（routing interconnect）之外，许多类型的FPGA还包括某些专用的硬件资源，例如BRAM、DSP、外部存储控制器（External Memory Controllers）、PLL、吉比特收发器（Gigabit Transceiver）等。最近的一个趋势是在同一个FPGA中嵌入一个处理器硬核(例如Xilinx Zynq系列中的ARM Cortex A9)。这样处理器可以处理普通的、非关键的任务，而FPGA则可以实现高硬件加速（high-speed acceleration），仅仅用处理器的话，这是无法做到的。这些专用硬核在与ASIC的竞争中至关重要。

什么是ASIC?

        ASIC是指应用专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）。顾名思义，ASIC是专用的。它们是专为某个（些）目的而设计的，在其整个生命周期内，它们的功能是固定不变的。比如你手机里的CPU也是ASIC，在它的整个生命周期内，它都是作为一个CPU来工作的，它的逻辑功能无法被改变，因为它的数字电路是由恒定连接的门电路和触发器所构成的。ASIC的逻辑功能使用如Viilog或VHDL等硬件描述语言来实现。

        与FPGA不同的是，ASIC中所生成的电路被直接固定了，而FPGA中的电路则是通过连接多个CLB来灵活实现的。FPGA类似于用乐高积木来拼一个城堡，而ASIC则像是用钢筋混凝土来浇筑一个城堡。当你需要的时候，你可以把FPGA城堡拆了，再重新用这些乐高积木拼一辆汽车；但你却无法把钢筋混凝土重新浇筑成一辆汽车了。

FPGA与ASIC的比较

序号	FPGA	ASIC
1	可重构电路。FPGA可通过不同的设计重新配置。甚至在芯片的某一部分处于工作状态时，也能对另一部分进行重配置（部分重配置）。这一功能在数据中心的加速计算中得到了广泛应用。	固定电路。一旦设计被转换成实体电路，就无法改变了。该电路在其生命周期内将一直处于同一功能模式.
2	设计通常使用硬件描述语言(hdl)生成，如VHDL或Verilog。	与FPGA一致。
3	低门槛。	成本、学习曲线、与半导体工厂联系等方面的门槛很高。
4	不适合大规模生产	适合大规模生产
5	功耗高	功耗低
6	与类似工艺节点的ASIC相比，工作频率有限。布线路由逻辑和可配置逻辑会吞噬时序裕量。	利用相同的工艺节点制作的ASIC，其工作频率远高于FPGA。
7	无法进行模拟设计。虽然FPGA可能包含某些模拟电路的硬核，如PLL和ADC等，但它们并不能灵活地来创建如射频收发器等模拟电路。	可以有完整的模拟电路，例如Wi-Fi收发器等。这是FPGA所不具备的优势。
8	FPGA非常适合雷达、手机基站等应用，目前的设计可能需要升级，以便使用更好的算法或更好的设计。在这些应用中，FPGA高昂的成本并不是决定性因素，它的可编程特性才是决定因素。	ASIC不适合在可能需要经常更新设计的应用领域。
9	最好用于原型验证和验证设计。很多ASIC都使用FPGA来做原型验证。一些大的处理器厂商也在使用FPGA来验证他们的片上芯片(SOC)。	不建议使用ASIC来做原型设计，除非它是绝对有效的。一旦流片后，几乎就没有办法来修复设计错误了（流片失败成本巨大）。
10	FPGA设计师通常不需要管后端设计。所有的事情都由综合工具来处理，这些工具会确保设计如RTL代码所描述的那样，并确保其满足时序要求。因此,设计师可以专注于完成RTL的设计。	从RTL向下到复位树、时钟树、物理布局和布线、工艺节点、制造约束(DFM)、测试约束(DFT)等，ASIC设计师都需要关注。一般而言，上述每个领域都由不同的工程师负责。

     

FPGA与ASIC的成本分析

        ASIC和FPGA的成本分析图如上。成本和单位值在图表中被省略了，因为它们与所用的工艺技术和时间有所不同。ASIC的NRE成本高达数百万美元，而实际的每一个die成本可能只有几美分。FPGA没有NRE成本，成本的大部分来源于软件（知识产权）。因为NRE成本的存在，ASIC的总成本在一开始就非常高，但其成本斜率较低。也就是说，小规模的ASIC的成本很高，但在大规模的ASIC中，每个批量的成本将变得非常低。

        以下是ASIC成本构成主要部分:

1. ASIC 的EDA工具和培训
2. 设计费用
3. DFT费用
4. 仿真费用
5. 掩膜成本
6. 晶圆成本
7. 晶圆加工
8. Die Utilization
9. 生产和制造损失
10. 封装

        与ASIC相比，FPGA的成本仅限于购买现成的IC。

如何在FPGA或ASIC之间进行选择

        你是一个想学习更多关于数字电路和硬件设计内容的新手？那么FPGA和仿真软件最适合您。你在设计自己的产品吗？酷！请问问自己目标市场是什么，预期的价格是多少，功率预算是多少，速度要求等问题。能用FPGA实现吗？如果是的话，那就继续把你的想法实现。如果不能，那你可能只好用ASIC了。在大多数情况下，至少可以使用FPGA制作原型并验证您的想法。当你完成原型的时候，你自己就会知道你是否需要使用ASIC。当然，如果您的设计完全是突破性的，并且非常特殊，有着非常具体的要求（在成本、功率、速度等方面），那么您除了使用ASIC外别无选择。FPGA可以满足大多数的应用情况，特别是当您需要可以重新配置电路时。

参考

        《FPGA Vs ASIC: Differences Between Them And Which One To Use?》

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