ASIC 与FPGA比较谈

专用集成电路(ASIC)采用硬接线的固定模式，而现场可编程门阵列 (FPGA)则采用可配置芯片的方法，二者差别迥异。可编程器件是目前的新生力量，混合技术也将在未来发挥作用。

与其他技术一样，有关ASIC技术过时的报道是不成熟的。新的ASIC产品的数目可能有大幅度下降，但其销售额仍然相当高，尤其是在亚太区。此外，采用混合式方法，如结构化ASIC，也为该技术注入了新的活力。同时，FPGA(和其他可编程逻辑器件)也在发挥作用，赢得了重要的大众市场，并从低端应用不断向上发展。

每种技术都有它的支持者。一般来说，ASIC用于大型项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目，FPGA则更为适合。ASIC和FPGA供应商对这两种技术孰优孰劣不能达成共识，对适合的应用领域也持不同看法。上述技术及其衍生技术将可能在今后一段时间内长期存在。

Altera Corp的高密度FPGA高级总监David Greenfield指出，FPGA技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短。他说：“在目前新增的设计方案中，对FPGA的选择倾向超过ASIC。ASIC技术有其价值所在，它的性能、密度和单位容量都相当出色，不过随着FPGA的发展和ASIC的开发成本不断上升，将会导致ASIC的市场份额不断缩小。”在上述趋势之后发挥作用的，正是FPGA在性能、密度和制造成本上的发展。

Greenfield指出，高性能曾经是ASIC超出FPGA的优势，当时FPGA在性能和功能上都较逊色。随着芯片的制造工艺从180nm发展到130nm甚至90nm，上述情况发生了很大变化，现在FPGA的性能已经能够满足大多数应用的需要（要求最高的应用除外），而密度水平则达到逻辑设计的80%。他解释说：“某些系统设计师也认识到，ASIC的市场领域在于极高性能/密度的产品，这种市场领域风险非常大。NRE（非重复性工程设计）和开发成本对这种设备而言是最高的。”

Altera指出，较早期的FPGA仅用于原型开发或低容量/低密度应用，现在该技术已经在消费电子产品中得到大规模使用，也在高密度应用中得到一定应用。Greenfield指出，最高密度的FPGA (90 nm)其单价仍明显高于ASIC。他说：“但是，即便就最高密度的应用而言，当综合考虑到开发和NRE成本等因素后，结果仍倾向于FPGA技术。”

德州仪器(TI)的ASIC工作以单元方式为主，为数量有限的大型客户服务。这些ASIC器件的平均门数量通常为工业标准ASIC的五倍，主要应用在高度复杂、高容量的应用中。这些应用都要求对商用的网络和电信技术有高度的差异化。

TI的ASIC通讯基础设施业务部门硅技术设计师John DiFilippo指出：“以单元方式进行ASIC开发，初始投资较高。但在高产情况下，ROI会大幅改善，因为其芯片较小，单位成本降低。在成品单价不太重要的情况下，或者是在产品上市时间较短，或初始投资较少的情况下，FPGA则是更好的选择。”

DiFilippo认为TI的客户要求良好的性价比，而对FPGA和结构式ASIC而言这种要求都是难以实现的。FPGA和结构式ASIC更适于广阔的中间市场。他说：“FPGA和结构式ASIC适于低容量、寿命较短的应用，客户愿意在产品功能和性能方面有所牺牲，但要求仍能实现系统目标。”

不过，TI对两种竞争的技术都认同。TI为单元型ASIC设备推出新的特性，使其能够提供类似门阵列的灵活性，更短的循环实现，设备要求重新设计时还能实现更低的成本。TI还开发了“平台式”ASIC产品，在多条客户产品线上都能加以利用，并指出其能够降低单位系统的开发成本。

TI认为，单元型ASIC方法最适于以下情况：

■ 门和存储位的数量超过1千万；
■ 千兆位连接数量较多；
■ 在最低功耗下，主时钟频率高于300 MHz；
■ 对成本很敏感的应用。

可行的替代方法
Xilinx公司指出，关于FPGA能否成为ASIC的可行替代方法以及相关标准器件的辩论持续了近十年。Xilinx高级产品部门副总裁Erich Goetting指出，尽管FPGA随时间发展取得了显著的进步，但直到不久前，设计人员为实现高性能还必须采用大型昂贵的器件，在特定应用方面还需要DSP、RISC处理或高速串行连接。

现在，Xilinx提供新式的“领域优化平台FPGA” (Virtex-4)，可依据ASMBL（模块）架构，针对应用的功能要求和成本目标对芯片设计加以增减。Goetting指出：“ASMBL是硅技术子系统的模块化框架，为针对不同应用领域快速而廉价地部署平台提供了新式的FPGA开发方法。”举例来说，某种设计可能需要高速DSP功能，但不一定需要高级逻辑。有了ASMBL架构，Virtex-4可让用户根据具体设计选择逻辑、DSP、存储器和其他功能（以列编组）的适当搭配。有人指出，列式架构可实现最多17种器件选择，而且在“给定价位”上能够提供更多功能。

Xilinx指出，由于NRE成本几乎不存在（通常由FPGA厂商分担），FPGA总体上拥有价格优势。Goetting指出：“ASIC的开发成本迅速大幅上升，而随着FPGA平台的功能不断增加，这使竞争优势的天平向FPGA倾斜。除了在模拟/混合信号领域应用广泛外，ASIC相对于FPGA再难以提供其他显著的功能优势。”FPGA在其他方面也可以节约成本，可通过软件下载来修正错误，并方便在添加新的功能时调试系统性能。

图1：图中所示的是半导体协会公布的FPGA（可编程逻辑装置的一种）与A S I C 的全球市场的增长率。

GE Fanuc Automation认为，FPGA的“真正优势”有两方面：一是能用可靠的标准部件迅速进行开发，而且可以方便地修改，以添加新的特性；二是能在开发期间或在产品生命期内修正错误。GE Fanuc高级工程师Richard Reed指出，与ASIC不同的是，FPGA作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或JTAG接口，这可节约设计时间和成本。

FPGA加速了产品的推出。Reed指出：“大量采用标准部件，使得FPGA的价格相对于ASIC而言更具竞争性。对于生命周期较长和产量较大的应用，有时将设计转化为ASIC专用芯片则更为合适。”

在ASIC的优势方面，Reed指出，ASIC加电后可立即运行，就单位逻辑大小而言封装选择更多，还可包括某些模拟逻辑。与此相对比，FPGA加载配置进入存储器需要时间，因此不能立即工作。此外，FPGA的封装也较复杂。

成本/风险因素
Nallatech公司是FPGA计算系统和软硬件开发商，该公司承认ASIC就其设计所针对的特定功能类型和专门应用而言实现了“高性能水平”。但是，Nallatech系统应用工程师Craig Sanderson指出，如果采用ASIC来实现高性能处理功能（如工业模拟、建模或成像）的话，那就会造成“商业影响”。

图2：FPGA 成功的应用于工业产品，例如，NI 的CompactRIO

可重新配置的采集和控制系统中嵌入的FPGA 芯片起了重要作用。

GE FANUC 的P A CSystems RX3i 控制器也应用了FPGA 技术。

上述“高性能”应用通常属于中小型规模。Sanderson虽然没有给出用ASIC实现应用的成本效率的临界点，但他指出，从成本/风险角度看，ASIC对相对小规模的应用而言是不可行的。”他补充说，不管规模如何，“FPGA厂商一般说来都将宣传采用FPGA，而不是ASIC。”

Nallatech同样认为，FPGA避免了较高的NRE成本，也具有其他优势。FPGA的可重复编程性可实现更灵活的开发路径，降低风险和成本。与此相反，ASIC开发必须做到“首次肯定正确”。而FPGA的现场可重复编程性使开发人员能够用软件升级包通过在片上运行程序来修改芯片，而不是替换芯片。FPGA甚至可通过因特网进行远程升级。废弃控制(Obsolescence control)是指现有的FPGA应用设计作为新一代器件再编译的可用资源。

就许多应用而言，FPGA供应商都表示性能已与ASIC相当。Sanderson指出：“就高性能应用而言，FPGA提供了充足的资源，可实现与ASIC技术相当的功能，同时比标准处理器的性能高出很多。”

由于FPGA的可重复编程，因此应用程序可在实际硬件中进行调试和检测。Sanderson补充说：“就ASIC而言，所有检测都必须在进入物理实现ASIC硬件阶段之前仿真进行，如果到硬件阶段再发现问题就太晚了。”

Gricha Raether是National Instruments (NI)的工业控制和分布式I/O产品经理，他指出ASIC和FPGA早期用于大规模应用，如机器制造和OEM型集成等，这有助于分摊传统上较高的开发成本。之所以成本较高，他认为是上述器件的开发周期较长且设计人员需要掌握大量的有关开发工具的专业知识，特别是ASIC的设计工作和制造步骤更是需时不菲。

FPGA产品设计完善，可以直接编程。他指出，就此而言，FPGA将逐渐替代实际的集成电路。由于FPGA具备可定制的灵活性，因此供应商可能收取更多费用。设计IC封装和印制电路板会带来更多成本，这对两种技术都一样，但ASIC尤其如此。

工业生命周期
Raether认为，FPGA对生命周期更长的工业产品也有利。这主要是由于该技术能根据新的版本进行方便的再编程，并可进行现场再编程。他说：“采用FPGA技术的设计人员应考虑到可能需要的扩展和修改，在选择FPGA门的数量大小时应预作准备。”这就要求在实现功能所需要的门阵列的数量和芯片编程实现的性能之间取得微妙的平衡，此外还要考虑到所需的“存储空间”。

Altera也认为，FPGA对生命周期更长的工业产品也“非常有利”，尽管这种产品随着时间的推移销售量会下降。Greenfield指出：“FPGA工艺不需要最低预订数量，寿命更长，这是令其独树一帜的重要原因。许多采用ASIC产品设计五年之久的工业客户现在都用FPGA来代替ASIC。”原因有很多，如ASIC要求最低预订数量，很不灵活； ASIC工艺技术已经过时，或者需要向无铅型芯片封装转换等。

工艺技术逐渐过时是芯片制造商必须面临的问题。Greenfield指出：“这一问题对ASIC公司而言尤其严重，因为他们的客户群非常有限，而且很可能在困境中难以抽身。”

软件工具的作用
开发FPGA解决方案相当复杂，要求有适当的软件工具。Nallatech的Sanderson指出，FPGA设计工具正在不断改进，特别是那些应用高级语言或接口进行应用开发的工具更是如此，如Mathworks提供的MatLab/Simulink。

他表示，高级语言对FPGA公司尤其重要，因为这种语言能将必需的应用功能打包进一个或多个FPGA器件。Sanderson指出，此前，这种功能必需在一个或多个DSP或微处理器上实现，而且还要加上一些固定功能的ASIC来实现连接。

近似而又不相同的硅技术方法
ASIC 和FPGA 都是集成电路(IC)，但又互有区别。专用集成电路(ASIC)如其名称所示，是专门满足某种电子产品或系列产品的特定应用需求的硬接线硅芯片，用于各种消费电子产品和工业产品中。

现场可编程门阵列(FPGA)是新兴的IC 技术，包括成千上万个逻辑单元，通过可编程开关连接起来，通过单元的逻辑互联来满足不同的设计要求。除了逻辑块之外，FPGA 的其他可编程元件为I/O 块（作为内部单线路和芯片外部引脚的接口）以及互联接口（将其他元件的I/O 信号路由至适当的网络）。可重复编程的功能是此类器件的最大优势。

结构式ASIC构成上述方法的中间地带，它用金属基层对众多应用共有的设计元素（逻辑单元、存储器、I/O等）进行预制造。针对特定应用的数据可在最终几个金属层中添加，这就大大减少了掩模层的数量，并将低了开发的预研成本。

设计人员面临的设计复杂性之一就是要在单一FPGA中实现多个功能块之间进行通讯。Nallatech公司的DimeTalk工具(目前仅适用于Nallatech硬件)据说可解决FPGA通讯系统开发的问题。

每种芯片技术都要求设计工具。Xilinx指出，由于FPGA设计流程的特点，FPGA用户不用考虑制造产量和亚微米问题，此外，FPGA还具有方便易用、低成本以及产品上市时间短等优点。Goetting补充说：“作为标准产品，FPGA推出时已经过全面测试，可以正常发挥作用，因为FPGA供应商已经解决了物理设计、验证和特性描述等问题。”Xilinx为逻辑、DSP和嵌入式处理器件提供集成设计和调试工具，此外还为第三方工具提供接口。

根据供应商的不同，对FPGA进行编程的软件在内容和增值特性（如编译和编辑工具）方面互有差异。NI的Raether强调指出，熟练使用上述工具要求多年的经验和培训。他说：“某些更高级工具正逐渐进入市场，不过需要很好地了解FPGA的内部机制才能使用好这些工具。”VHDL (极[高速]硬件描述语言)是最常用的开发语言。Raether表示，NI的LabView软件可将器件的内部运行机制完全抽象出来，它是目前唯一实现此功能的软件。该软件可通过图形化开发环境对可编程自动化控制器中的FPGA进行编程。

挑战混合解决方案
FPGA也面临着挑战。Xilinx指出，高密度芯片的静态功耗和尺寸限制就是FPGA的问题，因为可编程的芯片需要更多晶体管来执行逻辑功能。尽管FPGA工艺已经向新式的更小型工艺技术发展，但工艺级、电路级和架构级创新似乎日益受到功耗问题的约束。Goetting指出，举例来说，Xilinx通过采用三氧化物技术和集成式平台功能，将其90nm的Virtex-4系列产品的功耗相对于130nm的处理器降低了一半。

National Instruments的Raether指出，FPGA开发还面临着一些问题，如开发时间，行业规范的兼容性，以及在电路板和封装设计方面分配适当的开发资源。类似NI CompactRIO （见照片）的器件中集成了一块FPGA来帮助实现产品开发。

GE Fanuc的Reed对专用标准产品(ASSP)组件很感兴趣，这些组件衍生自不同的传统ASIC设计。GE Fanuc以可用的IP (知识产权)核用于FPGA，以提高其工作效率；厂商用相同的技术推出标准组件的诸多修改版，以适应众多较小的市场领域。Reed总结说：“我们可以推出嵌入式处理器，更好地搭配组合所需的功能，而且不必为我们不需要的功能付费，这是因为IP核可以重复使用，我们可将这些IP核快速搭配，制成标准组件。”

我们目前要解决的是“专用集成电路”和“可编程器件”之争。而最终解决方案是否是混合芯片技术，让我们拭目以待。