--FPGA与ASIC的比较

简介FPGA与ASIC

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。亮点在于它的可编程性，这个给设计实现带来了很大的方便。也为降低设计成本提供了可行方案，但是速度较之相同工艺的ASIC要慢。

ASIC（Application Specific Integrated Circuit），即专用集成电路，是一种为专门目的而设计的集成电路。是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。ASIC的特点是面向特定用户的需求， ASIC分为全定制和半定制。亮点在于专用，量身定制所以执行速度较快，比同等工艺的FPGA来说即比FPGA快，而且可以节省在FPGA中的一些没有使用的逻辑实现，大规模生产的话成本也会比FPGA低。

********************************************************************* FPGA与ASIC的比较: FPGA的基本特点主要有：

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能。 ?FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 ?加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。 FPGA允许无限次的编程.

?FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

?采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 ?FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 ?FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

?FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 ?FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 ?快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价

?它与ASIC的区别是用户不需要介入芯片的布局布线和工艺问题，而且可以随时改变其逻辑功能，使用灵活。 ?资金投入小。FPGA不像ASIC那样需要服务费用(如NRE),也不需对厂商做任何订单数量上的承诺,这样在项目之初就压缩了很多潜在花费。

?FPGA和ASIC出现相互融合虽然标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强、功耗低，但其设计复杂，并且有批量要求。FPGA价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、能力有限，而且功耗比ASIC大。

?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。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一般来说比ASIC的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。

@无论FPGA变得多么密集，FPGA的面积效率仍然要比用可比工艺制造的标准单元ASIC低一到两个数量级。FPGA，尤其是基于占用大量硅面积的、每个单元六个晶体管的静态存储器（SRAM）的查寻表（LUT）和配置元件技术的FPGA，其功耗要比对等的ASIC大得多。

FPGA主要用作样片试制。FPGA还可用于市场需求比较少量的设计,一般不超过11000片。若数量要求超过上千,则做ASIC设计比较合算。

FPGA 开发流程大致为：选定器件，安装软件，设计输入，代码调试（包括管脚定义、时序定义、时序分析），设计仿真（功能仿真、时序仿真）和下载调试。&&目前FPGA的发展趋势主要体现在以下几个方面：

大容量、低电压、低功耗FPGA大容量FPGA是市场发展的焦点。 *************************************************************** ASIC的特点 ：

ASIC分为全定制和半定制。

全定制设计可以实现最小面积，最佳布线布局、最优功耗速度积，得到最好的电特性。特点：精工细作，设计要求高、周期长，设计成本昂贵。

半定制设计方法又分成基于标准单元的设计方法CBIC和基于门阵列的设计方法。半定制主要适合于开发周期短，低开发成本、投资、风险小的小批量数字电路设计。

ASIC的特点是： ?面向特定用户的需求，ASIC在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。

? ASIC需要比FPGA更长的开发周期，FPGA方案具有更高的灵活性，可以缩短开发周期

?ASIC的高风险。因为FPGA的可重编程性，具备足够的灵活性，使用可编程器件的系统可以很容易地现场升级或修正差错。而ASIC一旦有问题，成片全部废弃掉。

?设计和支持工具的成本。FPGA方案在设计和支持工具方面也大大地节省了费用。

?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。FPGA技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短。 ?在ASIC的优势方面, 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。

?机顶盒的编解码器芯片、无线应用的RF芯片、高档汽车电子芯片等具体方面，

ASIC的优势明显，尤其是市场成熟的消费电子领域，ASIC具有无可比拟的优势。?ASIC 被用于大批量的专用产品，以尽可能简化设计、降低制造成本，实现良好的性价比；FPGA 虽单价较高，但由于其可编程的灵活性受小批量应用的青睐，很多时候还被用于ASIC 设计中的原型验证。

?ASIC 的非重复性工程（NRE）费用、最少订购数量以及开发工具套件的费用FPGA 最本质的特性是可编程性和设计周期短的优势，而这正是ASIC的弱点。

TI认为,单元型ASIC方法最适于以下情况：

1、 门和存储位的数量超过1千万; 2、千兆位连接数量较多; 3、在最低功耗下,主时钟频率高于300 MHz; 4、对成本很敏感的应用。 在ASIC 设计过程中，往往要用到FPGA 进行原型验证。FPGA 验证是进行ASIC 设计的重要环节，其后，还需要引入ASIC 版本源码，插入IO PAD，DFT，功耗估计和进行其它后端流程。完成FPGA 验证可以说就完成了ASIC 整套流程的50~80%。

ASIC的发展方向：

ASIC芯片设计除了向更大规模、更高工艺技术的方向发展外，还有两个明显的发展特征：一是向IP内核方向的发展，一是向SOC 的技术方向发展。 ******************************************************* 同样造一个功能的CPU，用ASIC和FPGA有什么区别？

FPGA的运算电路是基于查找表，以Alter的FPGA为例，一个4输入的查找表单元要16bit的SRAM，合计96个晶体管，而一个4输入的逻辑门估计在10个左右。

但是SRAM的晶体管密度比逻辑门高，以Dothan为例，二级缓存晶体管比核心多，但是面积比核心小。

完全相同的结构的话,FPGA被ASIC远远踢飞.FPGA要规模大得多才能实现ASIC相同的功能,主频还只有几分之一.

FPGA的优势在于灵活性.FPGA可以针对某些要求实现自己的硬件,即使主频再低,都能轻松踢飞没有对应设计的ASIC.

FPGA也可以实现流水线，向量运算器和超标量功能，甚至可以硬件实现快速傅立叶变换的功能。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

FPGA 与 ASIC 基于相同制造工艺和设计的条件下比较如下：

速度方面的比较：-----相同的工艺和设计，在FPGA上的速度应该比ASIC跑得慢。因为FPGA内部是基于通用的结构，也就是LUT（look up table），它可以实现加法器，组合逻辑等等，而ASIC，一般加法器就是加法器，而比较器就是比较器，FPGA结构上的通用性必然导致冗余；另外，作为FPGA基本单元是LUT（LUT组成SLICE，SLICE组成CLB－－这是xilinx的结构），为此大的设计假如一个LUT实现不了，就得用两个LUT，一个SLICE实现不了就要用CLB，不同结构处于特定的位置，信号之间的互联，导致的wire delay是不可忽略的一部分。而对于ASIC来说没有结构上的限制，而且对于特定的实际可以在空间上靠得很近，相对之下wire delay和cell delay都应该比FPGA小。当然LUT中也有DFF，作为高速的设计一般都会在一个简单的组合逻辑操作之后打一拍，再做下一步的处理。

面积方面的比较：------从上面上看，FPGA相对于ASIC来说还是大很多的。 功耗方面的比较：------ FPGA功耗比ASIC要大。

开发速度和流程上的比较：-----FPGA开发简单，ASIC开发流程长风险大。 就设计过程而言：------ FPGA除了代码之外，从综合到布局布线生成配置文件都是通过软件自动产生的，当然可以有一定的约束。

ASIC设计，不仅要关心代码，而且你要关心时序，关心设计符合DFT的要求，关心layout，关心SI等等 因为ASIC不是可编程的FPGA，内部结构一旦流片后就确定下来了。 bugs是ASIC中致命的东西！

对于费用来说：-----FPGA贵在单片，开发工具和风险基本不存在。对于ASIC贵在流片的费用和开发工具，NRE费用随着工艺的提高变相当贵，除非你的芯片一次成功可以量产，否则单片费用将其贵无比！

开发周期的比较：-----FPGA需要大致6个月，ASIC需要大致一年。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qibx.html