半导体产品开发选择指导：FPGA，还是ASIC？

只看该作者 · 2012-4-4 22:23

在新产品开发的阶段，时间往往是决定性的因素。更快速的进入市场通常意味着更短时间内获得预期的投资回报。由于FPGA具有快速、灵活的系统设计验证能力，可以确保尽可能快的缩短新产品上市时间，为用户赢得市场竞争先机。在产品开发初期，使用FPGA通常会是个十分合理的选择。
然而接下来，产品历经市场考验，逐渐定型时。我们会突然发现，不甘示弱的竞争对手们已不请自来，希望分得一杯羹。市场不断验证着挑战无处不在的真理。那么我们该如何应对这出现的挑战呢？有没有可以在不影响甚至提高产品性能情况下降低成本的方式，使我们在激烈的竞争中始终游刃有余呢？答案当然是肯定的，其中一个重要的解决方案就是可以考虑将产品中的FPGA转换成ASIC。

我们说，FPGA最大的优点就是可以通过可重复配置快速实现设计验证。但是当产品到了大规模定型生产的时期，这个特性变得无足轻重，而FPGA的相对不足则会表露无遗：

1）在同等的工艺下，对比系统时钟的运行速度，FPGA一般比ASIC性能落后2倍。为了达到同样的系统性能，FPGA必须选择比ASIC更先进的工艺。这也就意味着FPGA 硅片应用成本远高于ASIC。
2）产品安全性上，目前主流的FPGA都是用片外的PROM或者FLASH存储代码，上电时从片外存储器读入到内部SRAM的方式，这种方式代码很容易被拷贝。
3）由于是采用SRAM的方式来执行逻辑，在受到强干扰，辐射等恶劣条件影响下，内部的逻辑位有可能发生一次性变更，有可能导致逻辑功能的失效，唯一恢复的办法就是重新上电。这对于那些对安全性，可靠性有要求的应用来说尤其不利。
4） FPGA具有相对高得多的功耗，限制了产品的应用范围，增加了产品电源设计的难度及成本。

那么ASIC解决方案如何避免这些并实现成本降低呢？

FPGA属于通用IC。用户实际上只是或多或少选择性的使用了芯片的部分资源，对晶圆的整体利用率并不高。而ASIC是按照特定客户的需求实现设计最优化，将不需要的功能去除，提高晶片利用率；此外，ASIC不需要同样线宽的工艺就能达到FPGA相同性能。比如，一般65nm的FPGA所能达到的性能，选择110nm的ASIC工艺来匹配即可。使用相对旧的工艺单位门的晶片占用尺寸可能稍大，但定制功能的ASIC晶圆面积不一定比所用FPGA晶圆面积大，而且掩模和其它加工费用会有很大的节省，加上良率的提高这就意味着相对更便宜的晶圆价格。由于这些原因，通常来讲FPGA到ASIC的转换，单价会有40% 左右的降低。

只看该作者 · 2012-4-4 22:24

再对比一下ASIC在性能方面的变化：

1）安全性好：由于省去上电代码的加载，ASIC进一步降低了设计被复制的可能性。ASIC可以实现冷启动，热插拔，不容易受到辐射等影响，这些特点都决定了在对安全性，可靠性有很高要求的场合，ASIC是合适的选择。

2）功耗低：ASIC设计有很多成熟的降低功耗的方法，比如电源岛，门控时钟和多阈值电压晶体管等。通常来讲，FPGA到ASIC的转换，会降低3-4倍的功耗。这也降低了主板上电源设计的难度。

3）集成度高：ASIC的逻辑实现密度比FPGA高很多，在同等逻辑规模下，ASIC的尺寸可以更小。同时ASIC也可以帮助客户集成板上其他的资源，比如说存储器，模拟器件等，实现对整个应用电路板的二次优化。

图1:ASIC和FPGA的比较

由于是专门针对某一客户的定制，ASIC设计需要收取客户一定的一次性工程费用（NRE）。所有的设计费用，工程费用，流片费用，测试验证费用，封装费用等都包括其中。

下面我们以一个实例来说明成本的差异：

表1:FPGA到ASIC转换带来的直接收益

从表1中我们可以看到，通过3年成本的比较，ASIC相比FPGA来讲，给客户带来的直接成本节省约1.95百万美元。此外，ASIC的IP保护能力，可以防止客户设计被恶意复制；ASIC方案相对FPGA节省了功耗预算，简化了电源的设计。